La localizzazione delle sorgenti sonore (terza parte)

Continua il nostro viaggio nella percezione sonora e fra le capacità dell’orecchio umano di riconoscere la posizione di una sorgente sonora nello spazio che lo circonda. In questo terzo articolo prnederemo in esame gli effetti dell’ambiente in cui il segnale musicale viene riprodotto (*)

3: Effetto dell’ambiente

Normalmente, l’ascolto della musica e dei suoni riprodotti da un impianto alta fedeltà avviene in un ambiente domestico. Quasi tutti i costruttori di sistemi di altoparlanti indicano come posizione ottimale di questi ultimi la classica disposizione «a triangolo equilatero», nella quale due vertici sono occupati dai diffusori stessi e nel vertice rimamente è posto l’ascoltatore.

Oltre ai già citati problemi di localizzazio ne dovuti all’effetto della diafonia interaurale (vedi articolo precedente, sul n. 99), alle informazioni ambientali contenute nella registrazione, vengono sovrapposte le riflessioni e le alterazioni proprie dell’ambiente di ascolto.

3.1: la localizzazione in una stanza

Abbiamo visto come nello spazio libero, od in una camera anecoica, l’uomo riesce a localizzare correttamente la direzione di provenienza di un suono basandosi principalmente sulla differenza fra le intensità ed i tempi di arrivo del segnale alle due orecchie. La localizzazione sul piano verticale è in
fluenzata principalmente dalla conformazione del padiglione auricolare e dalle modificazioni che questo causa allo spettro sonoro. La totalità delle registrazioni commerciali basa la riproduzione della scena sonora quasi esclusivamente sui meccanismi della differenza di intensità e del ritardo di tempo, che, pur essendo molto semplici, forniscono risultati sufficientemente accettabili. In realtà il successo di queste tecniche è un esempio della incredibile abilità di interpretazione del cervello umano, che riesce ad utilizzare per naturali anche le informazioni sonore «artificiali» che giungono ad esso dalle orecchie.

È facilmente dimostrabile che un ascoltatore può localizzare la voce di una persona o il suono di uno strumento musicale con buona precisione. Ma è più sorprendente notare che la localizzazione è più facile in un ambiente chiuso che all’aperto! Questo perché il cervello umano non considera per la localizzazione soltanto i suoni diretti, ma elabora anche le informazioni spaziali provenienti dalle riflessioni del suono sulle pareti dell’ambiente. In pratica, se si ascoltano dei suoni riprodotti da un sistema di altoparlanti in un ambiente chiuso, le orecchie, oltre ai suoni provenienti di rettamente dai diffusori acustici, ricevono una grande quantità di suoni riflessi dalle pareti dell’ambiente stesso. Il cervello riesce ad elaborare questa enorme massa di
dati ed estrarne da essa le informazioni sulla localizzazione del suono. Normalmente, comunque, la posizione della sorgente viene individuata analizzando in primo luogo il suono diretto ed estraendo da questo le necessarie informazioni di differenza di tempo, di ampiezza, di fase interaurale
e di tempo di riflessione sul padiglione auricolare, mentre i suoni riflessi, che arrivano quindi in un secondo momento al timpano, contribuiscono soprattutto a determinare il volume sonoro e le caratteristiche dell’ambiente.

3.2: Le riflessioni

Quando un singolo altoparlante emette una nota, il suono si diffonde nell’ambiente in tutte le direzioni, fino a riflettersi sulle pareti. Ognuna delle orecchie riceve allora il suono diretto e, dopo pochi millisecondi, le prime sei riflessioni, che provengono dalle quattro pareti laterali, dal pavimento e dal soffitto. Queste riflessioni che chiameremo «primarie» o del primo ordine, sono caratterizzate dal fatto che il suono arriva all’orecchio dopo essere stato riflesso da una sola parete. Nella figura 1 possiamo vedere il percorso di due di esse, provenienti rispettivamente dalla parete sinistra e da quella
frontale di una stanza a pianta rettangolare.

Figura 1 - Nel disegno sono riportati i percorsi di due riflessioni primarie (di ordine 1), pro venienti rispettivamente dalla parete sinistra e da quella frontale di una stanza a pianta rettangolare. Le riflessioni primarie sono sei, una per ogni parete della stanza.

Figura 1 – Nel disegno sono riportati i percorsi di due riflessioni primarie (di ordine 1), pro venienti rispettivamente dalla parete sinistra e da quella frontale di una stanza a pianta rettangolare. Le riflessioni primarie sono sei, una per ogni parete della stanza.

Come già detto le riflessioni primarie sono sei, una per ogni parete della stanza. Esistono poi le riflessioni del secondo ordine, o secondarie, che si hanno quando il suono viene riflesso da due pareti prima di giungere all’ascoltatore. In figura 2 vediamo il percorso di una sola di esse, che interessa le
pareti laterali della stanza considerata. Le riflessioni del secondo ordine sono 30, infatti si dovranno considerare a due a due tutte le coppie di pareti possibili.

Figura 2 - Percorso di una riflessione di ordine 2, che interessa cioè due pareti. Le riflessioni del secondo ordine sono 30, infatti si dovranno considerare a due a due tutte le coppie di pareti possibili.

Figura 2 – Percorso di una riflessione di ordine 2, che interessa cioè due pareti. Le riflessioni del secondo ordine sono 30, infatti si dovranno considerare a due a due tutte le coppie di pareti possibili.

Il numero di queste che può raggiungere un ipotetico ascoltatore, dipende poi dalla forma dell’ambiente e dalla posizione occupata da
sorgente e ascoltatore stesso. Naturalmente esistono anche le riflessioni del terzo ordine, che interessano cioè tre pareti, del quarto ecc. Queste ultime però, a partire da un determinato ordine, hanno sempre più scarsa rilevanza, vedremo più tardi perché. Le caratteristiche di tutte queste riflessioni,
sono facilmente calcolabili, applicando dei semplici ragionamenti e le relazioni proprie dell’ottica geometrica. C’è da dire inoltre che le pareti di una stanza non sono completamente riflettenti; in genere l’onda riflessa ha un’energia minore di quella incidente. Si tiene conto di questo introducendo un
«coefficiente di riflessione», minore di uno.

Tale coefficiente varia con la natura della parete, con la frequenza e con l’angolo di incidenza del suono.

3.3: La simulazione

Consideriamo una sorgente sonora punti forme, posta ad una certa distanza da una parete piana e acusticamente riflettente.

La sorgente puntiforme irradia nello spazio in tutte le direzioni. Le onde di pressione che si formano nell’aria hanno quindi forma sferica, e procedono espandendo si dalla sorgente puntiforme nello spazio circostante. Possiamo rappresentare l’onda che si propaga con raggi uscenti dal centro della sorgente e disposti radicalmente rispetto ad essa (fig. 3).

Figura 3 - Una sorgente puntiforme irradia nello spazio in tutte le direzioni. Le onde di pressione che si formano nell'aria hanno quin di forma sferica, e procedono espandendosi dalla sorgente all'intero spazio. Si assume quindi che l'onda si propaghi secondo raggi uscenti dal centro della sorgente stessa e dispo sti radialmente rispetto ad essa.

Figura 3 – Una sorgente puntiforme irradia nello spazio in tutte le direzioni. Le onde di pressione che si formano nell’aria hanno quindi forma sferica, e procedono espandendosi dalla sorgente all’intero spazio. Si assume quindi che l’onda si propaghi secondo raggi uscenti dal centro della sorgente stessa e disposti radialmente rispetto ad essa.

Tutti i raggi orientati verso la parete, vengono da essa riflessi, e l’angolo che il raggio incidente forma con la superficie è uguale all’angolo che il raggio riflesso forma con la superficie stessa. Siccome i raggi uscenti dalla sorgente sono infiniti, infinite sono anche le riflessioni di questi sulla parete, ma una sola di esse potrà raggiungere l’orecchio dell’ascoltatore (fig. 4) tutte le altre, nel caso vi sia una parete sola, verranno disperse, oppure, se la sorgente si trova in un ambiente chiuso, contribuiranno alle riflessioni di ordine superiore al primo.

Figura 4 - Degli infiniti «raggi» uscenti dalla sorgente acustica solo uno raggiunge l'ascolta tore, mentre tutti gli altri, nel caso l'emissione avvenga in un ambiente chiuso, contribuisco no alle altre riflessioni di ordine più elevato.

Figura 4 – Degli infiniti «raggi» uscenti dalla sorgente acustica solo uno raggiunge l’ascoltatore, mentre tutti gli altri, nel caso l’emissione avvenga in un ambiente chiuso, contribuiscono alle altre riflessioni di ordine più elevato.

Il calcolo di queste riflessioni è piuttosto semplice applicando il metodo delle immagini, illustrato in figura 5. La misura del percorso ABC, che nella figura vediamo tracciato in rosso, è numericamente uguale a quella del percorso DBC, tracciato in blu; infatti i due triangoli ABE e DBE sono uguali per costruzione (avendo due lati e un angolo uguali). L’ascoltatore vede in pratica un altro altoparlante nella posizione D.

Figura 5 - Applicando le leggi dell'ottica geo metrica ed il metodo delle immagini si riesce a calcolare in maniera semplice il percorso di un suono riflesso. La misura del percorso ABC, che nella figura vediamo tracciato in rosso, è numericamente uguale a quella del percorso DBC, tracciato in blu; infatti i due triangoli ABE e DBE sono uguali per costruzione. L'ascoltatore vede in pratica un altro altopar lante nella posizione D.

Figura 5 – Applicando le leggi dell’ottica geometrica ed il metodo delle immagini si riesce a calcolare in maniera semplice il percorso di un suono riflesso. La misura del percorso ABC,
che nella figura vediamo tracciato in rosso, è numericamente uguale a quella del percorso DBC, tracciato in blu; infatti i due triangoli ABE e DBE sono uguali per costruzione. L’ascoltatore vede in pratica un altro altoparlante nella posizione D.

Vediamo poi che il triangolo ODC è un triangolo rettangolo, del quale conosciamo il lato OC, in quanto lo possiamo misurare, ed il lato OD = DA + AE + ED = OA + 2 AE. Applicando il teorema di Pitagora possiamo conoscere anche la lunghezza del lato DC, pari al percorso del raggio riflesso. In maniera analoga si possono calcolare i percorsi di tutte le riflessioni primarie e secondarie, e teoricamente anche delle terziarie, anche se il loro numero è molto
elevato. Bisogna dire inoltre che man mano che aumenta l’ordine della riflessione, diminuisce la sua udibilità: infatti il percorso di una riflessione secondaria è sempre maggiore di quello di una riflessione primaria e quindi l’intensità sarà anche minore; la riflessione secondaria incontra due pareti e
quindi, dato che il coefficiente di riflessione di esse è minore di 1, verrà ulteriormente attenuata rispetto a quella primaria; l’alto parlante considerato non irradia omnidirezionalmente, almeno sulla parte medio-alta dello spettro delle frequenze, quindi il raggio che parte da una direzione diversa
dall’asse del diffusore è comunque di intensità più bassa.

Tabella 1

Tabella 1

Figura 6 - Grafico delle prime sei riflessioni. In ascissa è indicato il ritardo rispetto al suono diretto, mentre in ordinata è riportata l'intensità in dB spl di ogni singolo segnale, ammesso che il diffusore emetta un livello dì 90 dB ad 1 metro.

Figura 6 – Grafico delle prime sei riflessioni. In ascissa è indicato il ritardo rispetto al suono diretto, mentre in ordinata è riportata l’intensità in dB spl di ogni singolo segnale, ammesso che
il diffusore emetta un livello dì 90 dB ad 1 metro.

In tabella 1 è riportata la simulazione, effettuata al computer, delle riflessioni primarie in una stanza di dimensioni 4x4x5, (LxAxP). La disposizione sia dell’ascoltatore che dell’altoparlante è riportata in figura 7.

Figura 7 - Posizione dell'altoparlante e dell'ascoltatore relativa all'ambiente usato per la simulazione. L'elevazione dal pavimento sia del trasduttore che dell'ascoltatore è di 1 metro.

Figura 7 – Posizione dell’altoparlante e dell’ascoltatore relativa all’ambiente
usato per la simulazione. L’elevazione dal pavimento sia del trasduttore che
dell’ascoltatore è di 1 metro.

Nella prima colonna sono riportate le lunghezze in metri dei percorsi che i suoni, sia quello diretto che quelli riflessi, devono compiere per giungere all’ascoltatore. Il primo valore si riferisce al suono diretto.

La seconda colonna riporta le differenze di percorso calcolate rispetto al suono diretto, mentre i valori presenti nella terza colonna indicano i ritardi, sempre rispetto a quello diretto, dei suoni riflessi. L’ultima colonna riporta le intensità di tutte le riflessioni (in dB spl), nel caso che il diffusore emetta un livello di 90 dB spl ad un metro. La simulazione prescinde dai coefficienti di riflessione delle pareti e dalla loro dipendenza sia dalla frequenza che dall’angolo di incidenza del suono. In figura 6 è riportata la tabella 1 in forma grafica. In ascissa il ritardo dei suoni riflessi, in ordinata la loro intensità. Notate come le prime a giungere siano le riflessioni con le pareti più vicine al diffusore. In questo caso poi, la riflessione n. 1 e la n. 3 si sovrappongono perfettamente, e vengono percepite perciò dall’orecchio simultaneamente.

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3.4: L’effetto di precedenza

Dall’analisi del grafico possiamo inoltre vedere che tutte le riflessioni arrivano in tempi inferiori a 20 millisecondi. Questo è molto importante perché l’orecchio umano tende a fondere insieme il suono diretto con le riflessioni che arrivano con un ritardo inferiore ad un certo valore. Tale effetto, che si chiama «effetto di precedenza» può essere così riassunto:

  1. Il sistema uditivo combina le informazioni spaziali contenute in una sequenza di suoni riverberati, come se fossero una singola entità, se tali suoni sono simili nei contenuti spettrali e nei tempi di arrivo e se il loro ritardo è inferiore a 40 millisecondi.
  2. Il suono percepito è dato dal complesso delle informazioni dall’intera sequenza dei segnali ed il tempo di arrivo percepito per questa combinazione di segnali è pari all’istante di arrivo del suono diretto.
  3. Il livello sonoro percepito è pari alla somma dei livelli del suono diretto più i segnali ritardati, sempre che questi soddisfino alla condizione 1. Questo è vero anche nel caso in cui uno o più segnali ritardati siano più forti di quello diretto.
  4. La posizione apparente della sorgente dipende soprattutto dalle informazioni spaziali presenti nel suono diretto.
  5. Se vi sono altre riflessioni caratterizzate da ritardi temporali compresi fra i 100 e i 200 ms esse possono essere fuse o no con i segnali precedenti; in ogni caso con fonderanno la chiarezza della percezione.
  6. Se infine sono presenti dei suoni rifles- si, ancora di livello elevato, che arrivano all’orecchio con un ritardo superiore ai 250 millisecondi, esse saranno sicuramente percepite sotto forma di eco.

La comprensione dei meccanismi acustici che sono alla base dell’effetto di precedenza è fondamentale nello studio dell’acustica dell’ambiente, sia che si tratti di una grande sala da concerto, sia di un piccolo salotto di 30 metri quadri. Ai fini della migliore restituzione del suono registrato si dovrebbero eliminare completamente le riflessioni generate dall’ambiente di ascolto ed in più il sistema di diffusione dovrebbe ricreare tutte le riflessioni presenti nella riproduzione originale.

Sistema Bose «Direct/Reflecting»

La filosofia Direct/Reflecting della Bose nasce dalla considerazione che i diffusori convenzionali non riescono a ricreare in un ambiente domestico un campo di onde acustiche, sia dirette che riflesse, analogo a quello presente in una sala da concerto.

I trasduttori della Bose 901 sono ben 9, di cui uno solo diretto verso la posizione di ascolto, e gli altri otto verso le pareti laterali e frontale.

I trasduttori della Bose 901 sono ben 9, di cui uno solo diretto verso la posizione di ascolto, e gli altri otto verso le pareti laterali e frontale.

Per questo il diagramma di radiazione del diffusore viene modellato per avere una emissione del suono maggiore verso le pareti che verso l’ascoltatore. In questo modo quest’ultimo viene investito da una grande quantità di suoni riflessi, che dovrebbero approssimare, nella maniera migliore possibile, il campo sonoro presente nella sala originale. Il problema principale di un sistema siffatto è che, escluse le piccole sale dei jazz club, l’ambiente di un
auditorium è in genere molto più grande del salotto di casa e quindi i tempi di arrivo dei suoni riflessi sono molto più lunghi di quelli presenti in un ambiente domestico.

Nel sistema DirectiReflecting della Bose, il diffusore irradia la maggior parte dell'energia sonora verso le pareti laterali e frontale, e solo una piccola parte direttamente verso l'ascoltatore.

Nel sistema DirectiReflecting della Bose, il diffusore irradia la maggior parte dell’energia sonora verso le pareti laterali e frontale, e solo una piccola parte direttamente verso l’ascoltatore.

Le AR «Magic Speaker»

Questo diffusore (8) segue più o meno la stessa filosofia del sistema della Bose. In questo caso però il suono che deve essere riflesso dalle pareti, viene generato facendo la differenza tra i due canali stereofonici, ottenendo così un segnale che contiene principalmente i suoni riflessi riverberati del programma originale. Inoltre tale segnale viene emesso da un sistema di altoparlanti separato da quello principale, ed in più opportunamente filtrato e ritardato, al fine di aumentare le dimensioni apparenti dell’ambiente.

Le AR Magie Speaker, emettono parte dell'energia sonora frontalmente e parte verso le pareti laterali. I segnali acustici opportunamente trattati vengono irradiati da due sistemi di altoparlanti differenti.

Le AR Magie Speaker, emettono parte dell’energia sonora frontalmente e parte
verso le pareti laterali. I segnali acustici opportunamente trattati vengono irradiati
da due sistemi di altoparlanti differenti.

Il Lexicon CP 1

Il sistema di elaborazione sonora Lexicon CP1 (13) si basa sulla affermazione che le migliori sale da concerto siano quelle caratterizzate da una grande quantità di riflessioni laterali. Per aumentare quindi il suono proveniente dai lati della sala il Lexicon CP 1 fa uso di due o più diffusori aggiuntivi, disposti lateralmente all’ascoltatore, ai quali manda dei segnali estratti dal normale programma stereofonico ed opportunamente filtrati e ritardati.

// Lexicon CP 1 tende ad arricchire la ripro duzione stereofonica di un elevato numero di riflessioni laterali. L'apparecchio fa uso di due o più diffusori aggiuntivi, disposti lateralmente all'ascoltatore, ai quali manda dei segnali estratti dal normale programma stereofonico ed opportunamente filtrati e ritardati.

Il Lexicon CP 1 tende ad arricchire la riproduzione stereofonica di un elevato numero di riflessioni laterali. L’apparecchio fa uso di due o più diffusori aggiuntivi, disposti lateralmente all’ascoltatore, ai quali manda dei segnali estratti dal normale programma  stereofonico ed opportunamente filtrati e ritardati.

Inoltre il CP 1 (ma anche altri elaboratori di immagine sonora digitali, di realizzazione più recente) consente di ricreare un nuovo ambiente di ascolto generando nuovi segnali per i canali laterali e posteriori. Il sistema incorpora inoltre un decodificatore Dolby Surround Pro Logic, per l’ascolto dei film codificati secondo questo standard.

di Pierfrancesco Fravolini


(*) Lavoro svolto nell’ambito della Tesi di Laurea dell’Autore (Corso di Elettroacustica della Facoltà di Ingegneria dell’Università «La Sapienza» di Roma) con il contributo di una Borsa di Studio ESB per una ricerca su «localizzazione» delle sorgenti sonore tenuto conto anche dell’interazione tra sistemi dialtoparlanti ed ambiente di ascolto».


BIBLIOGRAFIA

(1) Kantor K.L., «Il magie speaker della Acoustic Research», AUDIOreview, n. 43, pp. 66-72 (ottobre 1985).
(2) Allison R.F., «The influence of room boundaries on loudspeaker power output», Journal of Audio Engineering Society, Vol. 22, n. 5, pp. 314-319 (giugno 1974).
(3) Queen D., «The effect of loudspeaker radiation patterns on stereo imaging and clarity», Journal of Audio Engineering Society, Vol. 27, n. 5, pp. 368-379 (maggio 1979).
(4) Davis D., «Thè LEDE concept for thè contrai of acoustic and psychoacoustic parameters in recording contrai rooms», Journal of Audio Engineering Society, Vol. 28, n. 9, pp. 585-594 (settembre 1980).
(5) Kates J.M., «Optimum loudspeaker directional patterns», Journal of Audio Enginee ring Society, Vol. 28, n. 11, pp. 787-793 (novembre 1980).
(6) Benade A.H., «From instrument to ear in a room: direct or via recording», Journal of Audio Engineering Society, Vol. 33, n. 4, pp. 218-233 (aprile 1985).
(7) Antoniazzi P. e S., «Acustica ambientale con computer MSX» (prima parte), AUDIOreview, n. 43, pp. 96-99 (ottobre 1985).
(8) Kantor K.L., «Il magie speaker della Acoustic Research», AUDIOreview n. 43, pp. 66-72 (ottobre 1985).
(9) Antoniazzi P. e S., «Acustica ambientale con computer MSX» (seconda parte), AUDIOreview n. 46, pp. 106-111 (gennaio 1986).
(10) Antoniazzi P. e S., «Acustica ambientale», AUDIOreview n. 66, pp. 138-142 (novembre 1987).
(11) Croce M., «Modeler design program» (prima parte), AUDIOreview n. 71, pp. 172-175 (aprile 1988).
(12) Croce M., «Modeler design program» (seconda parte), AUDIOreview n. 72, pp. 168-171 (maggio 1988).
(13) Lucchesi R., «Lexicon CP 1 » (prova tecnica), AUDIOreview n. 84, pp. 84-88 (giugno 1989).
(14) Zuccatti C, «Riproduzione ed ascolto dei suoni» (prima parte), AUDIOreview n. 88, pp. 92-96 (novembre 1989).
(15) Wagenaars W.M., «Localization of sound in a room with reflecting walls», Journal of Audio Engineering Society, Vol. 38, n. 3, pp. 99-110 (marzo 1990).
(16) Zuccatti C, «Riproduzione ed ascolto dei suoni» (quarta parte), AUDIOreview n. 94, pp. 76-79 (maggio 1990).


da AUDIOreview n.102 febbraio 1991

Author: Redazione

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