Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

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MarioBon
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Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

#1 Messaggio da MarioBon »

La distorsione, di qualsiasi forma, prodotta da un altoparlante va misurata in ambiente anecoico ed in campo lontano. In ambiente anecoico (in assenza di riflessioni o campo libero) perchè non interessa la distorsione che sarà prodotta in un certo ambiente ma la distorsione prodotta dall'altoparlante e in campo lontano perché gli altoparlanti sono di norma ascoltati in campo lontano e quello che interessa di più è il suono diretto.
La prima cosa è quindi determinare dove comincia il campo lontano.
Il campo lontano di un altoparlante dipende dalla sua superficie di radiazione e dalla frequenza http://www.mariobon.com/Glossario/___Am ... ontano.htm
Cominciamo con un tweeter da un pollice. Estendamo la misura fino a 20000 Hz quindi, a questa frequenza, il microfono deve trovarsi nel campo lontano che, a conti fatti, inizia a poco meno di 3 centimetri dall'altparlante.
Per un tweeter basta porre il microfono a 3 centimetri per ottenere una misura credibile fino a 20kHz.
Passiamo ora ad un woofer da 18 pollici con SD=1024 cemtimetri quadri. Se questo woofer è tagliato a 500 Hz vorremo una misura credibile fino a 1kHz quindi il microfono andrà posto a circa 10 centimeri.
Consideriamo ora un woofer da 7 pollici con taglio passa basso a 2000 Hz: in questo caso il campo lontano inizia a circa 5 centimetri di distanza.
Proviamo a valutare l'errore causato dalla superficie riflettente più vicina: il pavimento.
Se l'altoparlante è sollevato di un metro dal pavimento ed il microfono si trova a 10 cm, il suono diretto percorre 10 cm mentre il suono riflesso ne percorre almeno 200 (2 metri). Questo significa che la prima riflessione arriva al microfono attenuata di 26 dB e comporta (sulla SPL misurata dal microfono) un errore massimo di più o meno 0.45 dB che corrisponde al 5.4%. Questo significa che se misurismo l'1% di distorsione il valore vero è compreso tra 0.946% e 1.054%. Se si desidera una precisione maggiore si può stendere sul pavimento uno strato di materiale fonoassorbente efficace alle frequenze in questione. Si tenga presente che tutti gli altoparlanti da una certa frequenza in su diventano direttivi quindi l'errore diminuisce al crescere della frequenza. L'errore diminuisce anche al diminuire della distanza del microfono (finchè resta nel campo lontano).
Fin qui abbiamo visto che il campo lontano dipende dalla frequenza e dalla superficie di radiazione e che la distanza va scelta in funzione della frequenza più alta che si intende misurare.
Generalmente non è necessario allontanarsi più di pochi centimetri e gli errori di misura sono tollerabili.
Per dirla tutta fino in fondo, c'è un'altro caso in cui la distorsione è nulla: quando si vuol credere, o ci si lasci convincere, che sia così. Questo richiede un atto di fede e le misure non sono nemmeno necessarie.
Mario Bon http://www.mariobon.com
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Re: Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

#2 Messaggio da MarioBon »

Consideriamo la misura della distorsione armonica presenza di una sorgente riflettente
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Come è noto, per certe frequenze, la tipica risposta del un filtro a pettine (comb filter). Questo significa che, per certe frequenze, il rapporto di ampiezza tra la fondamentale e le sue armoniche viene completamente falsato. Per di più, spostando il microfono o i diffusori, si otterrà un riultato diverso.
Si può abittare che quella è la distorsione misurata nelle effettive condizioni d'uso. E' vero ma la misura vale solo in quell'ambiente e con diffusori e microfono in quella posizione e non è riferibile ad altri ambienti. Per di più la risposta tipo filto a pettine si riferisce al regime stazionari che mescola il suono diretto ed il suono riflesso mentre a noi interessa solo in suono diretto.
Per tagliare la testa al toro possiamo affermare che la distorsione armonica è interessante solo in un caso: quando è nulla a tutte le frequenzee per tutti gli ordini di armoniche. In tal caso infatti anche la distorsione di intermodulazione sarà nulla ma la distorsione Doppler e la compressione termica istantanea potrebbero non esserlo (quindi nemmeno questa è una condizione sufficiente).
La condizione sufficiente affinché la distorsione armonica sia nulla è che la distorsione di intermodulazione sia nulla per ogni coppia di frequenze. Ed è per questo che sono state inventate le misure di distorsione con segnali multitono (almeno dal 1999).
Mario Bon http://www.mariobon.com
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Re: Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

#3 Messaggio da MarioBon »

Per tutti i motivi detti nel post precedente la misura di distorsione armonica non può essere ritenuta sufficiente per valutare la fatica da ascolto (il mascheramento) causato dalle non linearità di un sistema di altoparlanti. In particolare se tale misura è limitata alle sole seconda e terza armonica. La misura della distorsione di intermodulazione è molto più indicativa. Negli ultimi venti anni si è via via diffusa la pratica delle misure di distorsione con segnali multitono che hanno la proprietà di misurare contemporaneamente tutte le forme di ditorsione (armonica di tutti gli ordini, intermodulazione, Doppler, compressione termica istantanea, sub armonica e anche le forme di distorsione non conosciute). Eseguendo più misure con segnale multitono di livello crescente si ottiene un quadro completo del comportamento non lineare di un sistema di altoparlanti. Anche il sistema Klippel prevede la misura della distorsione con segnali multitono e questa può essere implementata anche con l'Audio Precision.
In sostanza basta sintetizzare un segnale multitono opportuno.

La misura di distorsione armonica resta utile per chi costruisce gli altoparlanti per individuare determinati difetti. Nelle effettive condizoni d'uso le cose vanno diversamente. Supponiamo di avere un sistema a tre vie mutiamplificato e con filtri attivi perfetti (così il risultato non dipende dalla qualità di un cross over passivo). Supponiamo di misurare la distorsione armonica del midrange al centro della banda riprodotta. Il risulato che otteremo sarà indipendente dalla presenza o meno del filtro passa banda. Se invece misuriamo la distorsione con segnale multitono ci accorgiamo che la distorsione dipende dalla frequenza di taglio del passa alto. Se il passa alto taglia troppo in basso il midrange potrebbe superare il suo limite di spostamento massimo e produrre una quantità di distorsione di intermodulazione. Questo è quello che succede nella stragrande maggioranza dei casi.

Un altro vantaggio non trascurabile della misura di distorsione con segnali multitono è che il risultato, se il segnale è spettralmente abbastanza denso ed il rumore ambientale basso, tende a dipendere solo dal tempo di riverberazione dell'ambiente (dalla frequenza di Schroeder in avanti) e consente quindi di confrontare misure ottenute in ambienti diversi ma con lo stesso tempo di riverberazione.
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Re: Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

#4 Messaggio da MarioBon »

Anche i microfoni di misura, sottoposti a pressioni elevate, producono distorsione quindi non è opportuno fare misure a un centimetro di distanza a livelli SPL troppo elevati.
Per esempio:

90 dB a un metro diventano
96 dB a 50 cm
102 dB a 25 cm
108 dB a 12.5 cm
114 dB a 6.25 cm
120 dB a 3.175 cm
126 dB a 1.5625 cm
130 dB a 1 cm
che diventano 140 dB se il diffusore produce 100 dB. Bisogna leggere il manuale del microfono e regolarsi di conseguenza. Se il rumore ambientale sta a 40 dB e l'altoparlante produce, al microfono, 112 dB si riesce ancora a misurare un tasso di distorsione ben inferiore allo 0.1%.
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Re: Come misurre la distorsione (Altoparlanti)

#5 Messaggio da MarioBon »

Anche la misura di TND proposta da Audio Review può essere classificata una misura multitono ma è limitata dalla presenza delle "bande laterali":
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/420b_TND.htm
La misura multitono ha difetti? Si come tutte le misure che non impiegano il segnale musicale reale come stimolo (l'unico che rappresenta le effettive condizioni d'uso). Da questo punto di vista la sinusoide pura è lo stimolo più lontano dalle effettive consizioni d'uso.
Bisogna però vedere come le misure con stimoli multitono vengono fatte. Una sola misura non basta: è bene ripetere la misura più volte a livelli SPL crescenti.
Il segnale multitono ha una estensione di spettro che viene decisa dall'operatore e nulla impedisce di estendere lo spettro a piacere (per esempio a partire da 2 Hz) poi lo spettro può essere modellato per esempio esaltando la basse frequenze e può ulterirmente essere modificato selezionando fattori di cresta diversi:
- fattore di cresta alto: valore RMS basso, picco elevato
- fattore di cresta basso: valore RMS altl, picco limitato
In sostanza si può modellare il segnale per mettere in evidenza tutte le catarreristiche che si ritengono necessarie. Si può anche ricavare l'andamento dello spettro estraendolo da segnali musicali reali (cosa che si realizza con poch righe di software).
A differenza della misura di distorsione armonica, con il segnale multitono, avremo, in tutte le condizioni, la visione della distorsione di intermodulazione (la più fastidiosa).
Un'altra cosa che con le normali misure di distorsione armonica non si vede è la distorsione sub-arminica che è ancora più deleteria della distrsione di intermodulazione. Anche la distorsione sub armonica, limitando opportunamente la banda dello stimolo multitono, può essere mssa in evidenza e misurata.
La distorsione di sub armonica è tipica dei diaframmi in carta leggeri e non abbastanza rigidi (woofer e medi) e di alcuni tipi di trombe "corte".
Attrezzarsi per eseguire una misura di distorsione multitono non è troppo difficile: l'Audio Precision consente di preparare i segnali e (con un po' di programmazione) si possono prepare tutti i segnali che servono.
40 anni fa, quando gli altoparlanti avevano tassi di distorsione elevati, ci ci poteva accontentare di misurare la distorione armonica totale THD. Oggi che gli altoparlanti migliori presentano tassi di distorsione armonica totale dello "zero virgola" è indispensabile scegliere i componenti che intermodulano di meno e la misura della distorsione armonica, specie se limitata ai primi due ordini e, peggio, se eseguita in ambiente, non solo non è sufficiente ma può essere forviante.
Mario Bon http://www.mariobon.com
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