La Distorsione: cosa, come, quanto (cc)

[MarioBon]

(corretto e integrato il 24 Agosto 2018)
Nel seguito si parla della distorsione non lineare negli altoparlanti. Cominciamo col dire che cosa è la distorsione. In un sistema ideale, con banda passante infinita e perfettamente lineare, il segnale che si presenta in uscita è proporzionale al segnale di ingresso. Questo significa che potrà essere più "grande" o più "piccolo" ma conserverà la sua forma. In particolare se osserviamo all'oscilloscopio la tensione appicata ai morsetti di ingresso del diffusore e la tensone che esce dal microfono (posto in campo lontano nello spazio libero) i due segnali devono essere proporzionali. Nel mondo reale quando la forma del segnale di uscita è diversa dalla forma del segnale in ingresso di dice che il segnale è distorto. Questa differenza di forma può dipendere da due cause:
- la banda passante del segnale è più ampia della banda passante del segnale
- lo spettro del segnale di uscita contiene delle componenti (delle frequenza) che non erano presenti nel segnale in ingresso.
Tutto ciò che cambia la forma del segnale ma dipende dalla risposta in frequenza del sistema è detta "distorsione lineare" e ora non interessa. In linea di principio questa forma di distorsione si corregge con un DRC, Dirac o anche (non sempre) con un equalizzatore.
La seconda forma è la "distorsione non lineare" ed è quella che interessa ora.
Nella figura che segue si vede la forma d'onda prodotta dalla sovrapposizione di due sinusoidi a 50 e 500 Hz. Tale segnale viene "tosato" a livello delle due linee rosse (come avviene quando un ampli clippa). Nel grafico in mezzo si vedono le due righe spettrali corrispondenti alle due frequenze presenti nel segnale di ingresso e nel grafico più in basso si vede lo spetto del segnale in uscita. Nel segnale di uscita ci sono molte più righe spettrali che nell'ingresso: tutte le righe in più costituiscono "distorsione non lineare"

In particolare quella che si vede è quasi tutta "distorsione per intermodulazione" che è il tipo di distorsione più udibile e più fastidiosa e anche l'unica di cui valga la pena occuparsi oggi.

[MarioBon]

La figura nel post precedente mostra che cosa è la distorsione e spiega anche come può essere misurata: bisogna trovare un modo per distinguere, nello spettro dl segnale in uscita, le componenti che appartenevano al segnale in ingresso (buone) e quelle che non appartenevano al segnale di ingresso (cattive). Segnali diversi producono disorsione diversa
Esistono diversi tipi di distorsione:

la disorsione armonica
si misura applicando all'ingresso un segnale sinusoidale puro. In uscita si vede la componente corrispondente al segnale in ingresso più una serie di altre componenti la cui frequenza è un multiplo della frequenza applicata all'ingresso. Queso tipo di distorsione dipende solo dalla ampiezza del segnale applicato all'ingresso (tutte le sinusoidi hanno la stessa "forma"). Superata una certa ampiezza il dispositivo satura (o clippa).

distorsione di intermodulazione
si misura applicando all'ingresso un segnale composto dalla sovrapposizione di più sinusoidi (minimo due). In uscita si vedono le componenti contenute nel segnale in ingresso più una serie di altre componenti la cui frequenza è pari alla somma ed alla differenza delle componenti presenti all'ingresso e anche la distorsione armonica. Questo tipo di distorsione dipende sia dalla ampiezza che dalla particolare forma del segnale all'ingresso. Vengono generate un gran numero di frequenze.

distorsione Doppler
Si genera quando lo stesso altoparlante deve riprodurre due frequenze di frequenza molto diversa. Produce uno spettro che assomiglia alla intermodulazione (con delle "bande laterali" come i segnali modulati).

Le prime due possono avere svariate cause che non indaghiamo.
Quando si ascolta musica i nostri altoparlanti producono tutte e tre queste forme di distorsione contemporaneamente e noi le sentiamo tutte assieme. Dal punto di vista dell'utilizzatore, quindi, non esiste una distorsione armonica o intermodulazione o doppler: esiste una distorsione che può essere:
- non udibile
- tollerabile
- non tollerabile
Quella non udibile è come se non ci fosse, quella tollerabile prima o poi darà fastidio, quella non tollerabile darà fastidio da subito. Ci si deve quindi concentrare sulla distorsione tollerabile.
Ma quando la distorsione è "non udibile"? e quando la distorsione tollerabile è "tollerabile"?
(quella non tollerabile si sente subito...). Questa risposta di ottine dallo studio delle caratteristiche dell'apparato uditivo e dai test di ascolto. Evidentemente servono anche le misure che consentano di stabilire (almeno in linea di principio) se la distorsione prodotta sarà udibile o tollerabile e quanto tollerabile.
Per "vedere" la distorsione si deve poter capire cosa c'era nel segnale e cosa è stato aggiunto.
Due suoni possono essere distinti uno dall'altro se:
- sono separati nel tempo (ma questo non è utile)
- sono separati nello spettro (questo è utile)
- sono separati nella coerenza (che vedremo oltre).
Tutte le misure classiche di distorsione si basano sulla separazione degli spettri. Questo dignifica che il segnale di test deve consentire di capire cosa è "segnale" e cosa è "distorsione".
La forma di distorsione più facile da interpretare è la distorsione armonica ma è anche la meno utile perchè dipende solo dall'ampiezza del segnale mentre la musica è un segnale che cambia continuamente in forma. La distorsione di intermodulazione ha un difetto: dipende dalla forma del segnale. Posso trovare un diffusore che suona benissimo un violino da solo o una voce accompagnata da chitarra ma che, quando riproduce un organo, suona malissimo. Si tratta di segnali con "forma", e quindi spettro, molto diversi.

Dato un segnale la sua trasfotrmata secondo Fourier è unica. Quindi due segnali con lo stesso spettro sono lo stesso segnale. Due segnali con spettri diversi sono segnali diversi. Lo spettro si può rappresentare come modulo e fase: basta modificare il modulo o la fase, anche di una sola componente, per ottenere segnali distinguibili (diversi). L'udibilità di una differenza è un altro discorso.

Sembrerebbe così necessario provare gli altoparlanti con una quantità di segnali e a molti livelli SPL diversi il che renderebbe le misure quanto meno poco pratiche.
Questo però non è un buon motivo per limitarsi alla sola misura di dstorsione armonica degli ordini interi tipo seconda, terza, quarte, ecc. (esiste amche al distorsione sub-armonica).

[MarioBon]

Come superare il problema
A questo punto in molti hanno fatto questo ragionamento: invece che misurare l'altoparlante con tantissimi segnali diversi lo sottopongo al peggior segnale possibile: se va bene con quello a maggior ragione andrà bene con tutto il resto. Il ragionamento sembrebbe anche giusto ma, in realtà, porta a conclusioni che valgono solo per quelle particolari circostanze. Basta abbassare un po' il volume o cambiare genere musicale e le prestazioni del sistema possono migliorare in modo determinante. Questo è il motivo per cui riviste come SUONO e StereoPhile non eseguono misure di distorsione non lineare (del resto la distorsione si può valutare attraverso la fatica da ascolto).

Come fare
Da parecchi anni a questa parte la filosofia della misura della distorsione degli altoparlanti è cambiata. Ora non si distingue più tra i diversi tipi di distorsione ma li si misura tutti contemporaneamente (perchè si sentono tutti contemporaneamente). Per fare questo sono stati studiati dei segnali di test appositi: i segnali multitono (entrati nella prassi da quando introdotti nel sistema di misura Klippel che è utilizzato da tutti i produttori di altoparlanti di un certo peso).
In sostanza il sistema viene sollecitato con un segnale che contiene una quantità di sinusoidi di frequenza diversa (ma tutte con la stessa energia) opportunamente spaziate tra loro in frequenza in modo da eccitare l'altoparlante con uno spettro simile a quello della musica che sarà chiamato a riprodurre ma lasciando la possibilità di distinguere il contributo della distorsione.
Klippel usa 7 sinusoidi, L'Audio Precision consente di usarne 64, io ne uso 108 o 120 (estratte da un rumore rosa pseudocasuale a largabanda).

Nella figura qui sopra si vede la risposta di un tweeter senza filtro e con filtro. Il tweeter produce circa 90 dB con 2.83 Vrms a un metro e circa 100 con la tensione maggiore (è il tweeter della Tebaldi). La misura è fatta in campo vicino (15 cm) del diffusore che risulta essere contemporaneamente il campo lontano per il tweeter. Le scale in dB sono relative (perchè interessano le differenze e non i valori assoluti).

Le righe sottili sono lo spettro del segnale in ingresso mentre la parte nera è la distorsione. Un ulteriore vantaggio di questa misura è che mostra anche la risposta in frequenza. Si nota come la presenza del filtro riduca la distorsione anche dove il filtro non agisce direttamente.
Questa misura può essere eseguita a livelli SPL diversi e anche limitando la banda passante del segnale di stimolo per adeguarlo a diversi generi musicali. Questo consente di classificare i sistemi di altoparlanti per la loro adeguatezza a riprodurre generi diversi a livelli SPL diversi. Non tutti hanno la necessità di riprodurre 140 dB di picco a 4 metri a 16 Hz. Gli appassionati di flamenco devono ascoltare chitarra, nacchere, voce e battere di tacchi. Questa misura consente di dare a ciascuno ciò che gli serve.

Quanta distorsione?
Si sistema il microfono davanti all'altoparlante e si fa partire il segnale. Fissato il livello SPL che si desidera riprodurre si osserva il risultato sul dispay dell'analizzatore di spettro:
- se la parte nera (la distorsione) rimane sempre a -60 dB (o più) rispetto alle righe del segnale la distorsione non è udibile (almeno per il 71% delle persone).
- se la parte nera (la distorsione) rimane sempre almeno a -40 dB rispetto alle righe del segnale la distorsione è mediamente tollerabile (almeno una ora).
- se la parte nera (la distorsione) rimane sempre almeno a -30 dB rispetto alle righe del segnale la distorsione è mediamente poco tollerabile (meno di una ora).
Cosa significa mediamente tollerabile: la tollerabilità della distorsione è soggettiva. Alcuni individui sono più sensibili di altri. Se la risposta in frequenza del sistema è buona (decentemente "piatta" ed estesa) e l'ambiente non ha difetti particolari, la fatica da ascolto si correla alla distorsione non lineare. Se la fatica da ascolto interviene dopo quattro ore significa che la distorsione è ben tollerabile, se interviene dopo venti minuti significa che è (molto) poco tollerabile. Tra i due limiti ci sono tutte le sfumature possibili. Vanno preferiti i sistemi che non provocano fatica da ascolto su periodi lunghi (almeno quattro ore). Va tenuto conto che l'ascolto a livelli SPL elevati in ambiente domestico produce di per sè fatca da ascolto.

[MarioBon]

Per quanto ottimizzato, il metodo di misura con gli stimoli multitono conserva sempre un limite: il segnale non è il segnale musicale ma un surrogato. I segnale musicale ha un limite: è continuo e non consente di distinguere lo spettro della distorsione dallo spettro del segnale. Bisognerebbe usare la musica.

Si può usare la musica per misurare la distorsione?
Si può ma il metodo (detto Random Distorsion, ideato da Temme quando lavorava alla B&K) si applica alle elettroniche ma non ai sistemi di altoparlanti. Tale metodo, infatti è particolarmente sensibile a tutto quello che succede tra la sorgente (altoparlante) ed il microfono e in più accetta solo sistemi dove il percorso tra sorgente e microfono è unico. Purtroppo i sistemi di altoparlanti prevedono più vie (più percorsi) ed è sempre presente la diffrazioni ai bordi (più percorsi). La misura di RD è invece adatta per gli amplificatori.

Per i diffusori acustici si è costretti ad utilizzare segnali che consentono la separazione dello spettro del segnale dallo spettro della distorsione.

[MarioBon]

Per chi volesse approfondire l'argomento:

http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... rsione.htm
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... _Opera.htm
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... i_fase.htm

http://www.mariobon.com/Articoli_storic ... ements.pdf
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... _Temme.htm

Come leggere le misure delle riviste
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... Review.htm
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/420a_MIL_MOL.htm
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/420b_TND.htm
http://www.mariobon.com/Articoli_nuovi/ ... eoplay.htm

[MarioBon]

Prima di concludere si deve fare ancora una distinzione tra la distorsione stazionaria (che si misura con stimoli stazionari (ovvero periodici o pseudoperiodoci) e la distorsione di forma. La dstorsione di forma si manifesta su picchi del segnale, dura quanto il picco (millisecondi) ed è quindi facilmente tollerata. La distorsione stazionaria è quella che provoca la fatica da scolto. Il segnale impiegano nella DI ha un fattore di crest compreso tra tre e quattro che è un valore che si incontra spesso nei programmi musicali. Anche da questo punto di vista il segnale DI è più simile alla musica rispetto ad altri segnali artidiciali. Se si ascolta il segnale DI non si percepisceun rumore ma sembra di sentire un organo elettrovico dove tutti i tasri vengono pigiati contemporaneamente. Questo è un ulteriore vantaggio che lo assimila maggiormente alla musica (nel cervello la musica ed il rumore soo percepiti in aree diverse ed in modo diverso).

Conclusione

Se, una volta, dopo aver ascoltato musica, avvertivate dei fischi alle orecchie (acufeni soggettivi) e ora, dopo aver ascoltato musica, non li sentite più, non vi siete "abituati" ma siete diventati sordi. La vostra sensibilità nei confronti della distorsione non lineare, di conseguenza, è cambiata (ma la cosa ormai non ha più importanza).

[MarioBon]

Supplemento

In un altoparlante lo spostamento, a parità di SPL prodotto, aumenta di 4 volte per ogni dimezzamento della frequenza. Quindi se a 50 Hz l'ampiezza vale 100 a 100 Hz vale 25 e a 500 Hz l'ampiezza vale 1.
Ne segue che filtrando con un passa alto la distorsione in gamma media si riduce drasticamente.
Nella figura che segue si vede a sinistra il segnale di ingresso composto da due sinusoidi a 53 e 530 Hz senza clipping, a destra lo stesso segnale un po' clippato. All'oscilloscopio la frequenza a 530 Hz non si vede perchè è troppo piccola ma la differenza si vede bene a livello spettrale. Basta ridurre di poco l'ampiezza del tono a 53 Hz e la distorsione scompare completamente. In centro a destra si vede la differenza tra il segnale intero ed il segnale clippato debitamente amplificata.
La distorsione dell'altoparlante non è così brutale come il clipping di un amplificatore ma il principio è lo stesso. Ne segue che, negli altoparlanti, la distorsione, anche in gamma media, è determinata dallo spostamento cui l'altoparlante è costretto per riprodurre le frequenze basse. Questo è il motivo per cui i sistemi a tre vie (con taglio woofer-medio "basso") sono da preferire.

[TeoMarini]

Conclusione

Se, una volta, dopo aver ascoltato musica, avvertivate dei fischi alle orecchie (acufeni soggettivi) e ora, dopo aver ascoltato musica, non li sentite più, non vi siete "abituati" ma siete diventati sordi. La vostra sensibilità nei confronti della distorsione non lineare, di conseguenza, è cambiata.

Senectus ipsa morbus est!


(dal latino: La vecchiaia stessa è una malattia)

[TomCapraro]

Esistono molti metodi di misura...un bravo misuratore dovrebbe anche essere in grado di associare la giusta misura/metodo per il tipo di indagine che si svolge.
Spesso si utilizza il metodo/misura sbagliato, attribuendo poi le colpe al metodo quando in realtà sbaglia l'operatore.

[MarioBon]

Gli esmpi che seguono servono a dimostrare quanto sia più importante misyrare la distorsione di intermodulazione piuttosto che la distorsione armonica. Il segnale ha sempre lo stesso contenuto spettrale ma cambiano le relzioni di fase tra le componenti e di conseguenza cambia la forma del segnale. In particolare cambia il fattore di cresta (che è indicato in ogn figura)

in questo primi caso non c'è distorisione. Il fattore di cresta vale 2.38

qui il fattore di cresta è salito appena sopra il clipping e compare una distorsione di forma che origina distorsione che resta sotto la linea a -60 dB.