Nelle due precedenti parti di questa intervista iniziata qui, l’Ing. Giuseppe Parolo, autore della ricerca Proprietà delle distorsioni non lineari e loro misure negli amplificatori audio, pubblicata sul Journal of the Audio Engineering Society, ci ha illustrato quanto le distorsioni non lineari possano contribuire a rendere l’ascolto della musica riprodotta più audiofilo. La definizione “audiofilo” in questo caso è da intendersi come mix dei termini fedeltà, veridicità, naturalezza e così via, tutte metafore linguistiche descrittive che noi recensori – e in primis appunto audiofili – usiamo per connotare una riproduzione domestica che ci sembra più vicina all’evento reale o registrato.
Il “perché” questo succeda ci è stato spiegato, in modo il più possibile divulgativo, appunto nelle prime due parti di questo articolo. È giunto ora il momento di affrontare il “come” questo succeda, come si possano insomma introdurre, anche volutamente, distorsioni non lineari nelle amplificazioni ottenendo un maggiore gradimento soggettivo/oggettivo all’ascolto.
Domanda: L’elettroacustica dice che gli amplificatori a valvole esibiscono tipicamente distorsioni di seconda armonica. Questo sembrerebbe renderli “piacevoli” e molti audiofili confermano. Questo dato e queste osservazioni quanto hanno a che fare, se l’hanno, con la tua ricerca?
Giuseppe Parolo: Le distorsioni di seconda armonica si osservano tipicamente in circuiti a valvole, ma si possono incontrare anche in circuiti basati su componenti a stato solido. Gli effetti all’ascolto prodotti da un amplificatore che presenta una distorsione predominante di seconda armonica sono quelli di maggiore “morbidezza” e “calore”. Se in eccesso, si può avere una sensazione di “rigonfiamento” nelle basse frequenze e di minore definizione del suono. Questi effetti sono dovuti ai prodotti di intermodulazione creati per differenza di frequenze fra tutte le combinazioni di toni presenti nel segnale originale.
Nel mio studio ho cercato di visualizzare l’effetto su un segnale di test complesso “music-like”. La fig. 8 riporta un segnale in input x(t) composto da 64 toni distanziati di 1/6 d’ottava partendo da 30 Hz, con un livello decrescente in frequenza linearmente di 2 dB/decade da -24 dB e con fasi casuali. Preciso che variazioni anche non piccole di questi valori non determinano cambiamenti sostanziali in quanto descritto di seguito.
Fig. 8 – Andamento in frequenza di un segnale sintetizzato “music-like”, in blu, e relativo inviluppo, in arancione.
I diagrammi in fig. 9 riportano la simulazione dell’andamento in frequenza delle distorsioni create da un sistema che presenta una distorsione di sola seconda armonica a -60 dB. La fig. 9(a) mostra la componente di distorsione aggiunta al segnale (v(t) di fig. 7, mentre la fig. 9(b) mostra la stessa risposta privata delle componenti alle frequenze coincidenti con quelle delle fondamentali.
Fig. 9 – Simulazione del transito del segnale “music-like” in un sistema non lineare con distorsione di solo secondo ordine a -60 dB, riferito all’inviluppo del segnale sorgente. Nel grafico in alto sono tracciati tutti i prodotti di intermodulazione mentre in quello in basso è privato dei toni coincidenti col segnale sorgente.
È evidente il tappeto di distorsione creato dai prodotti di intermodulazione – circa 3400 componenti – simile a un rumore bianco ma in realtà correlato al segnale. Non ci sono differenze sostanziali fra i due segnali in figura, segno che le frequenze delle fondamentali subiscono alterazioni della stessa entità. La fig. 10(a) riporta la densità dei prodotti di intermodulazione per ottava.
Fig. 10 – Densità del numero di prodotti di intermodulazione per ottava: a sinistra per un sistema con distorsione di solo secondo ordine; a destra per uno con distorsione di solo terzo ordine.
Si notano i valori alti in bassa frequenza che in modo graduale decrescono all’aumentare della frequenza. Questo andamento, unito all’effetto di mascheramento del nostro orecchio, che è più blando nelle frequenze inferiori a quella mascherante, giustifica la percezione di maggiori componenti tonali nelle basse frequenze, tanto più pronunciate quanto più alta è la distorsione. Dai modelli risulta che la presenza della distorsione di seconda armonica – o, meglio, degli ordini di distorsione pari – nasconde in realtà anche una componente in corrente continua, detta CC o DC, che in genere viene eliminata dai condensatori di accoppiamento, l’effetto visibile nella prima parte della curva di fig. 2.
Nel mio studio ho cercato inoltre di caratterizzare la struttura della distorsione della seconda armonica analizzando gli effetti nel tempo sul segnale dovuti non solo al livello della distorsione ma anche alla sua fase, normalmente trascurata. Dalle simulazioni risulta che, nel caso in cui la seconda armonica abbia una fase di -90° o +90° rispetto alla fondamentale, l’impatto distorsivo sul segnale ha le seguenti caratteristiche:
- nel caso di distorsione con fase a -90° i transitori – positivi – sono potenziati e anticipati nel tempo, mentre l’opposto avviene quando la fase è a +90°
- l’intensità della distorsione aumenta in valore incrementando il livello del segnale, ma è indipendente dalla frequenza, mentre la fase invece rimane sempre invariata
Se le fasi si discostano in modo significativo dai valori di +90° o -90°, situazione che indica l’influenza di effetti memoria anche nelle distorsioni, queste due proprietà diventano progressivamente meno vere. Il risultato è che l’effetto fisico della distorsione sul segnale risulta il più omogeneo possibile quando le fasi approssimano appunto i valori +90° o -90° per tutta – o quasi – la banda audio.
Dai modelli risulta inoltre che tutte le armoniche pari sono legate fra loro, con quelle di ordine più basso che subiscono un’influenza da parte di quelle di ordine più alto. Queste ultime – di ordine 4, 6, 8, etc – se di entità non trascurabile possono causare variazioni più rapide nei livelli di quelle più basse in dipendenza del livello del segnale e in alcuni casi possono cambiare il segno alle fasi.
Dunque, a parità di livello, non tutte le distorsioni di seconda armonica sono uguali. Questo risultato si estende anche a tutte le armoniche di ordine pari.
Domanda: Al contrario, gli ampli a stato solido, quelli a transistor in genere, essendo erogatori in corrente “controllano” in generale meglio gli altoparlanti, offrendo sulla carta più correttezza teorica e un suono più corretto dal punto di vista elettroacustico. Tendono però a esibire distorsioni di terza armonica, o in generale di ordine dispari, e questo li rende spesso sgradevoli, non solo alle orecchie degli audiofili ma anche dell’ascoltatore comune. Questo quanto e cosa comporta, se ha rilevanza, con la tua ricerca?
Parolo: Nell’esperienza comune, a una distorsione predominante di terza armonica si associa un effetto di maggiore “ariosità” e “brillantezza” del suono. Se eccessiva, può causare una sensazione di “ruvidezza”. L’effetto sul segnale in questo caso è quello dell’applicazione al segnale di una sorta di effetto contrasto.
Anche qui, nel mio studio ho cercato di visualizzare fisicamente l’effetto sul segnale “music-like” di fig. 8 simulando il suo transito attraverso un sistema che presenta una distorsione di sola terza armonica. La fig. 11(a) mostra la componente di distorsione aggiunta al segnale (v(t) di fig. 7) dove si nota sempre la presenza di un tappeto di distorsione, di ben oltre 43000 componenti.
Fig. 11 – Simulazione del transito del segnale “music-like” in un sistema non lineare con distorsione di solo terzo ordine a -60 dB, riferito all’inviluppo del segnale sorgente. Nel grafico in alto sono tracciati tutti i prodotti di intermodulazione mentre in quello in basso è privato dei toni coincidenti col segnale sorgente.
La fig. 11(b) riporta sempre la distorsione privata delle componenti alle frequenze coincidenti con le fondamentali. Qui le differenze sono vistose: in effetti, queste sono componenti nascoste dalla terza armonica – più in generale, di tutti gli ordini di distorsione dispari – che non è possibile rilevare dalle misurazioni dirette. Ma i diversi modelli ne prevedono però la presenza e sono da considerare a tutti gli effetti distorsione poiché dipendono non linearmente dal livello del segnale originale. Diversamente dalla seconda armonica, la densità per ottava dei prodotti di intermodulazione riportata in fig. 10(b) non varia molto con la frequenza.
Per le fasi, ho rilevato che queste distorsioni possono essere classificate in base alla fase delle distorsioni di terza armonica:
- Fase a 180° / -180° è “espansiva” per il segnale
- Fase a 0° è “compressiva” per il segnale
A parità di intensità della distorsione di terza armonica gli effetti sul segnale possono essere quindi diametralmente opposti: nel primo caso i toni originali acquistano energia; nel secondo perdono energia. Nel caso dei valori di 180° o 0° delle fasi questi effetti risultano indipendenti dalla frequenza; per scostamenti sensibili da questi valori si ha anche qui l’influenza di effetti memoria, con effetti analoghi a quelli descritti per distorsioni di seconda armonica.
Dai modelli risulta anche qui che tutte le armoniche dispari sono legate fra loro, con quelle di ordine più alto che influiscono su quelle di ordine più basso, per livello e fase.
Dunque, a parità di livello, anche le distorsioni di terza armonica non risultano tutte uguali. Il risultato si estende a tutte le armoniche di ordine dispari.
Domanda: Oltre ai modelli teorici, hai potuto applicare o riscontrare la tua ricerca su apparecchi reali? Con quali conferme?
Parolo: Questa è la parte più pratica e al momento meno oggettiva – ma più stimolante – della mia ricerca, dove ho coinvolto diverse persone esperte, anche musicisti. Come già anticipato, i risultati riassunti di seguito sono ancora oggetto di sperimentazione, quindi non del tutto consolidati; la maggior parte risultano comunque in linea con quelli di Nelson Pass, con il quale ho avuto il privilegio di confrontarmi più volte.
Nell’arco di diversi anni ho avuto la fortuna di disporre per test di oltre trenta preamplificatori e una decina di finali, di diverse tecnologie e marchi come Audio-gd, Audio Research, Gryphon, Jeff Rowland, Kondo, Krell, LTA, Luxman, Mark Levinson, Threshold e altri. Inoltre, sugli apparecchi di Tino e Roberto – NdR | Vedi prima parte qui – ho eseguito test cambiando per uno stesso preamplificatore, quindi su uno stesso circuito, i punti di lavoro o un componente, valvole o condensatori. Gli ascolti sono stati eseguiti cambiando solamente il preamplificatore su una o più catene di riferimento piuttosto neutre. Sono quindi state eseguite prove d’ascolto a livelli di pressione sonora controllati con più persone non a conoscenza dei dettagli sulle misure. L’ambiente principale di ascolto è stato trattato acusticamente con l’aiuto di un Sound Engineer / Acoustical Designer, il Dott. Luigi Bisogno, vedi qui.
Nei casi in cui è stato possibile eseguire un confronto corretto, dato che è necessario che anche le altre misure siano simili, gli effetti riscontrati all’ascolto, correlati con le misure classiche, a volte sono stati in linea con le esperienze comuni, altre un po’ meno. Andando a esaminare anche le fasi delle distorsioni, spesso ho trovato una spiegazione plausibile.
Più in dettaglio, quando la distorsione predominante è di seconda armonica si ha, relativamente alla sua fase:
- Fase +90° circa, la scena sonora è più profonda, lontano dall’ascoltatore
- Fase -90° circa, la scena sonora è più vicina all’ascoltatore
L’equilibrio tonale non viene alterato. Il motivo di questo effetto potrebbe essere ricondotto a come agisce la distorsione sui transitori dei segnali che il nostro cervello utilizza per ricavare le informazioni di localizzazione spaziale: nel caso di distorsione con fase a -90° i transitori – positivi – sono potenziati e anticipati nel tempo; l’opposto avviene quando la fase è a +90°.
Quando la distorsione predominante è di terza armonica, in relazione al valore della sua fase si hanno gli effetti:
- Fase +180° circa, suono con più dinamica e più “ruvidezza”
- Fase 0° circa, suono più “piatto”
Il motivo qui può essere ricondotto al fatto che le fondamentali nel primo caso hanno dei contribuiti dalle distorsioni che si sommano; nel secondo si sottraggono. Questo apporto energetico è prevalentemente sui livelli più alti del segnale, molto più deciso di quelli della seconda armonica. Quale di questi due effetti sia preferibile all’ascolto sembra dipendere sia dal genere musicale – e quindi dagli strumenti musicali – che dall’acustica ambientale: in quelli con una buona acustica è preferibile un effetto espansivo; in altri meno curati l’effetto compressivo può risultare più gradevole, contribuendo a ridurre la sensazione di “spigolosità” creata dalle riflessioni ambientali non a livelli da manuale.
Quando le distorsioni di seconda e terza armonica sono confrontabili si hanno effetti diversi al variare del volume, dove in genere predominano quelli di seconda armonica per livelli mediobassi e quelli di terza per livelli medioalti. In presenza di ordini superiori di distorsione la situazione è molto più complessa poiché le variabili sono molte di più. Il risultato dipende infatti da come l’energia delle distorsioni si distribuisce fra i diversi ordini. Quello che si riscontra in generale è che l’amplificatore impartisce un’impronta sonora più distintiva al suono, che agisce ancora più negativamente sulla fedeltà del suono, ma non necessariamente sulla piacevolezza. Infine, se le fasi si discostano sensibilmente dai valori indicati – per quanto visto, modulo e fase delle distorsioni diventano dipendenti sia dal livello del segnale che dalla frequenza – gli effetti sull’ascolto sono variabili e meno decifrabili; mediamente si riscontra una sensazione di maggiore artificiosità del suono.
Fine parte 3a di 4 - Alla quarta parte
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