Gli Strumenti per misurare

Il tema delle misure è molto sentito in ambito elettronico. Misurare serve per rendersi conto di cosa succede in tutte le fasi della produzione, uso e manutenzione di un dispositivo. Misurare consente di avere un'idea oggettiva della qualità di una produzione e, ovviamente, questa considerazione vale allo stesso modo sia in ambito analogico che digitale.

Naturalmente l'ambito della produzione musicale deve tenere conto di questo anche se va considerato un aspetto fondamentale: la musica si percepisce con i sensori messi a disposizione dal corpo umano e si ascolta con il cervello che è inevitabilmente influenzato dalla personalità e dal gusto del suo possessore. Questo settore è studiato da una disciplina che va sotto il nome di psico-acustica che non è una scienza esatta perché condizionata dall'aspetto psicologico dell'ascolto.

Vale la pena fare un piccolo approfondimento sui sensori acustici del corpo umano. Ovviamente l'apparato uditivo la fa da padrone.

Come sapete questo riesce a percepire segnali con frequenze che vanno da 20Hz a 20.000Hz con una sensibilità che è maggiore nella banda che copre quasi tutte le frequenze del parlato. Questa è centrata sui 3.000Hz ed estesa, all'incirca, dai 500Hz ai 4.500Hz, non a caso la banda passante dei sistemi telefonici è 5.000Hz (questi devono garantire una buona performance nella comprensione della voce). Le prestazioni del sistema auricolare peggiorano con l'età e non è raro trovarsi intorno ai 50 anni a non percepire (con le orecchie) le frequenze dell'ottava più alta (da 10.000Hz a 20.000Hz).

Le basse frequenze sono in grado di far vibrare anche parti più estese del corpo umano e, soprattutto quando la pressione sonora è elevata, possono essere percepite con vibrazioni a livello del busto e/o delle ossa più grandi (avrete sicuramente sperimentato queste sensazioni nei concerti o in discoteca).

Le alte frequenze, invece, possono arrivare al nervo uditivo (e quindi al cervello) seguendo percorsi alternativi alla catena timpano-martello-incudine-staffa attraverso il legame meccanico che c'è tra le ossa della scatola cranica e l'apparato vestibolare. Queste ed altre  considerazioni sono riportate nell'articolo The world beyond 20KHz di David Blackmer (fondatore di Earthworks).

L'articolo di David Blackmer in qualche passo esprime delle ipotesi non scientificamente verificate (siamo nel campo della psico-acustica) ma, in un seminario del Master in Sound Engineering dell'Università di Tor Vergata organizzato dal suo direttore Marco Re e da Francesco Passarelli (sound engineer di lungo corso), ho avuto modo di parlare con Eric  Blackmer (figlio di David) che sostanzialmente confermava le conclusioni riportate nella pubblicazione di cui sopra dandone dimostrazione con microfoni in grado di riprodurre frequenze fino a 50.000Hz.

Questo spiegherebbe perché anche persone di una certa età che al test dell'udito mostrano problemi sopra i 10.000Hz, riescano comunque ad avere una chiara interpretazione dei transienti quando ascoltano musica (la Fig 1 è tratta dal blog https://inascoltoblog.wordpress.com/).

Tornando agli strumenti di misura, partiamo dalla misura dei livelli. Della definizione di livello abbiamo già parlato in un articolo precedente a cui vi rimandiamo.

I primi strumenti di misura sono quelli ad ago (VU meter) tanto in voga nei sistemi analogici. L'ago si muove essendo solidale a una bobina percorsa da una corrente proporzionale al segnale che si vuole misurare. Questi misurano le Volume Unit (VU) in dB e, per effetto dell'inerzia del sistema meccanico, hanno un tempo di risposta che si assesta sui 300msec.

La risposta non istantanea fa si che il risultato della misura sia approssimato e dipendente anche dalla durata dei picchi del segnale (se il picco termina mentre l'ago sta salendo, il valore misurato è inferiore a quello effettivo). Il sistema, però, ha trovato largo uso negli anni e, complice la assuefazione degli ingegneri del suono alla particolare risposta, viene riprodotto anche nei sistemi digitali.

Sfruttando la minore (quasi nulla) inerzia dei diodi LED è possibile realizzare dispositivi che vanno sotto il nome di Peak Program Meter (PPM). Il concetto di PPM è datato (1932), la sua realizzazione compiuta però è successiva.

Trovate i PPM nei mixer (analogici e digitali) e in tutte le DAW. Se fate riferimento alla Fig.2, tra i due pannelli del VU meter simulato, trovate anche le due tipiche barre del PPM.

La visualizzazione dell'andamento di uno o più segnali nel dominio del tempo è possibile grazie a uno strumento denominato Oscilloscopio. Questo consente di visualizzare una serie di segnali in opportune tracce.

Con l'avvento degli oscilloscopi digitali è diventato possibile anche fare operazioni su queste per estrarre informazioni maggiori dalla misura. Valga, ad esempio, la misura della differenza tra due segnali per verificare le differenze di fase (i due segnali sono perfettamente in fase se la loro differenza è zero o, più frequentemente, minima).

Una set di misure che si fanno spesso in ambito musicale è costituito da quelle relative alla distribuzione dei segnali nel campo stereofonico. Queste ci danno informazioni su quella che gli audiofili definiscono come “scena” o “stage”.

Il modo più semplice di capire quanto la scena sia ampia è quello di utilizzare un misuratore di correlazione (Correlation meter). La correlazione tra due segnali (nel nostro caso il segnale a sinistra – L – e quello a destra – R) è un valore che si ricava attraverso un'integrale simile a quello della convoluzione (che è complesso e quindi ci fermiamo qui).

Ai fini della misura, ci basti sapere che, quando la correlazione è pari a 1, i segnali L e R estremamente correlati e la risultante è mono. Quando la correlazione è 0, i segnali sono estremamente scorrelati e l'ampiezza del panorama stereo è massima. Con la correlazione pari a -1 si ha una situazione di massimo sfasamento tra i segnali L e R.

Un esempio di Correlation Meter lo trovate in Fig1 o nella successiva Fig4 (sulla destra).

Il vettorscopio (o Vectorscope in inglese) consente di avere molte più informazioni sulla distribuzione della stereofonia (scena). In Fig4 è utilizzato come Polar Sample. Il campo stereofonico è rappresentato con una semicirconferenza con il segnale L a sinistra e quello R a destra (!). La nuvola che si vede rappresenta la scena ed è ottenuta riportando, per ogni campione, il vettore che deriva sommando (vettorialmente) le componenti L e R.

Una seconda modalità di impiego del Vectorscope è quella che mostra il Polar Level che riporta sul grafico la media dei vertici dei vettori (sempre quelli che derivano dalla somma vettoriale di Le R) per ogni campione.

L'ultima modalità, forse la meno utile, è detta di Lissajous. Questa riproduce lo schermo di un oscilloscopio in cui, invece di avere l'asse dei tempi in ascissa e quello dei livelli in ordinata, si imposta il segnale L in ascissa e quello R in ordinata. Questa modalità utile per dare un'idea grafica, meno per informazioni quantitative.

Le analisi nel dominio della frequenza si fanno con uno strumento denominato Analizzatore di spettro (Spectrum Analyzer).

Questo strumento è in grado di mostrare il livello del segnale (in dB) distribuito nella banda audio (20Hz – 20KHz).

L'algoritmo utilizzato è quello dalla Fast Fourier Transform (FFT) che consente anche misure in tempo reale. Questo algoritmo ha i suoi difetti dovuti soprattutto al fatto che la misura dovrebbe essere fatta con un tempo che si estende all'infinito (purtroppo la Trasformata di Fourier è definita così).

La cosa è ovviamente impossibile e questo fa si che la misura debba, per forza di cose, essere fatta in un tempo limitato (definito, di solito, in termini di campioni del segnale).

Volendo interpretare la cosa dal punto di vista matematico si arriverebbe a considerare il risultato della FFT come ottenuto dal prodotto di sue segnali: quello originale e una sorta di onda quadra di durata peri all'ampiezza (in campioni) della finestra di misura.

Il risultato di questo modello è che vengono introdotte delle armoniche spurie che derivano dal processo di misura e non dal contenuto effettivo del segnale misurato. Ci sono vari metodi per superare l'inconveniente ma non andiamo oltre.

Una rappresentazione molto utile della evoluzione del contenuto in frequenza di un segnale è quella che va sotto il nome di Sonogramma (Sonogram).

In questo diagramma sull'asse orizzontale (ascisse) è riportato il tempo e in quello verticale (ordinate) la frequenza. L'intensità del segnale per un dato istante a una certa frequenza è data dal colore che va dal giallo (molto intenso) all'azzurro (molto debole) come riportato in Fig. 8.

Questa modalità di rappresentazione consente, ad esempio, di isolare i disturbi impulsivi e di operare su questi (come fanno Steinberg SpectraLayer e Izotope RX) per eliminarli.

Torniamo a parlare dei livelli per discutere brevemente di Volume percepito (Perceived loudness).

Questo tema è stato affrontato negli anni passando dalla misura del valore Root Mean Square (RMS) alle misure di livello K introdotte dal Mastering Engineer Bob Katz.

La risposta più attuale è quella indicata dalla Audio Engineering Society e dalla European Broadcasting Union che hanno rilasciato lo standard AES/EBU R128.

Il tentativo (riuscito) di questo standard è quello di fissare una modalità ben definita di misura del Loudness che tenesse presenti anche (per quanto possibile) gli aspetti della psico-acustica.

Il risultato è stato un algoritmo per misurare le Loudness Unit (LU) e vari parametri a questa collegati. Definita la LU diventa possibile specificare i livelli a cui attenersi per uniformare il livello di Loudness nel rilascio dei brani musicali.

Le grandezze che si misurano sono:

• LUFS: Loudness Unit Full Scale – indica il volume percepito
• LRA: Loudness Range – esprime la dinamica del brano
• TP: True Peak – indica il valore massimo del segnale

Una implementazione dello R128 meter è riportata in Fig. 9.

Tutti questi strumenti sono, di solito, disponibili nelle DAW che possono diventare, insieme alla interfaccia audio, degli ottimi sistemi di misura per gli scopi più vari. Per misurare le prestazioni di un impianto di riproduzione (monitor degli studi di registrazione o sale di ascolto) è necessario aggiungere una coppia di microfoni di misura (diagramma polare omni e risposta in frequenza piatta fino ad, almeno, 50KHz) da utilizzare nelle configurazioni stereo di cui abbiamo già parlato.

Terminiamo qui la discussione sugli strumenti di misura per l'audio e vi diamo appuntamento alla prossima settimana per qualche applicazione pratica.