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alta fedeltà

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Descrizione generale

(inglese high fidelity, abbr. hi-fi). Espressione in uso per designare, in senso lato, un insieme di apparecchiature di rilevazione, eventuale registrazione e riproduzione del suono, tale che le caratteristiche fisiche del suono originario siano conservate con elevata precisione nel suono riprodotto; in senso più ristretto ci si limita spesso a considerare la proprietà precedente per l'apparato di riproduzione o, in senso ancora più ristretto, per il solo stadio di amplificazione finale che precede il trasduttore elettroacustico. Quando la proprietà precedente raggiunge un grado elevatissimo si parla di altissima fedeltà. La suddetta definizione è in certo senso vaga perché non è facile valutare gli scostamenti massimi accettabili nei vari parametri fisici e perché il giudizio sulla qualità del suono è in larga misura soggettivo, legato alla fisiologia dell'udito, alla sensibilità e all'educazione musicale dell'ascoltatore. Un sistema ad alta fedeltà è quindi una catena elettroacustica che va dalla sorgente al trasduttore finale, senza o con registratore intermedio, nella quale l'alta fedeltà viene realizzata mediante particolari accorgimenti e dispositivi. Detta catena comprende: A) l'insieme dei microfoni nello studio di ripresa o nell'auditorio, con relativi preamplificatori e amplificatori; B) le apparecchiature di emissione radio o televisive, o atte alla filodiffusione; C) le apparecchiature di ricezione, con i dispositivi di trasduzione finali, per esempio altoparlanti. Nel caso in cui vi sia il registratore intermedio, questo, con relative apparecchiature di fonorivelazione e trasduzione finale, sostituisce le apparecchiature B) e C).

Caratteristiche

In un sistema ideale, la qualità dei singoli componenti dovrebbe essere eguale; infatti, trattandosi di una catena, un unico componente di qualità inferiore peggiora la situazione dell'intero complesso, se invece è di qualità superiore non arreca alcun vantaggio. Le caratteristiche comuni a tutti i componenti, che dovrebbero essere eguali, sono: la curva di risposta, la distorsione non lineare, il rumore di fondo, la dinamica, le eventuali qualità stereofoniche . § Curva di risposta. Dalla curva di risposta si ricavano la banda di frequenza dell'apparecchio e la distorsione lineare entro tale banda; essa dovrebbe essere orizzontale, o almeno priva di forti irregolarità e risonanze, e comprendere tutte le frequenze acustiche, o almeno una larga parte di esse, rispetto alla quale dovrebbe almeno essere centrata; per esempio, per la riproduzione della voce umana in alta fedeltà occorre una banda da 100 a 8000 Hz; per la musica occorre una banda da 30 a 15.000 Hz. § Distorsione non lineare. La distorsione non lineare o armonica comporta l'introduzione di frequenze armoniche, e cioè suoni non desiderati. È dovuta alla non proporzionalità fra l'ampiezza del segnale d'ingresso e quella del segnale d'uscita. Viene valutata dal rapporto percentuale fra il valore efficace risultante delle componenti armoniche introdotte e quello della fondamentale, per ogni frequenza. In alta fedeltà non dovrebbe superare l'1%. § Rumore di fondo. È dovuto a varie cause (rumori elettrici dei tubi elettronici e dei transistori, rumori magnetici nei registratori, ecc.). Per realizzare l'alta fedeltà il rapporto, in uscita, fra le tensioni di segnale e di rumore deve essere almeno 100 per l'ascolto di musica, oppure la tensione di rumore deve essere almeno 50 dB al di sotto della tensione massima del segnale. § Dinamica. La dinamica è la differenza fra il massimo e il minimo livello di pressione sonora che l'apparecchiatura è in grado di riprodurre correttamente: per la voce e per la musica occorrono valori rispettivamente di 40 e di 60 dB; le eventuali qualità stereofoniche interessano particolarmente il riproduttore. Per realizzare queste proprietà si interviene in tutte le fasi. In fase di ripresa, eseguita generalmente con più microfoni, hanno importanza il tipo di microfono usato, la ricerca della sua miglior posizione rispetto alla sorgente, la regolazione dei livelli dei singoli microfoni, eseguita agendo sui regolatori di volume degli amplificatori microfonici. I microfoni usati sono generalmente del tipo dinamico a nastro, o elettrostatici, con diverse possibili caratteristiche di direttività (unidirezionalità, bidirezionalità, omnidirezionalità); per uso non professionale si usano anche microfoni piezoelettrici. Allo scopo di ottenere una migliore regolazione dei livelli, spesso la ripresa è fatta con più gruppi di microfoni; i segnali di ogni gruppo vengono registrati su registratori a più piste, in modo da poterne regolare separatamente i livelli. § Stereofonia. Per quanto riguarda la stereofonia la condizione indispensabile per aumentare la fedeltà degli impianti stereofonici è che lungo la catena elettroacustica si mantengano i rapporti delle fasi e delle pressioni sonore dei due microfoni usati per la ripresa; le curve di risposta dei due canali devono essere eguali entro ±1 dB su tutta la banda di frequenza e i regolatori di tono e di volume non devono alterare questa condizione. È anche utile che l'ambiente d'ascolto sia simmetrico, dal punto di vista acustico, rispetto all'asse del sistema stereofonico.

Modulazione di frequenza

In fase di radiotrasmissione o di trasmissione televisiva, e quindi anche di ricezione, il fattore più importante per l'alta fedeltà è la modulazione di frequenza, nella quale la frequenza dell'onda portante viene fatta variare in funzione del segnale modulante; rispetto alla modulazione d'ampiezza la maggior fedeltà è dovuta alla possibilità di trasmettere in una banda fino a 15.000 Hz, anziché fino a 9000 Hz, senza interferenze con i canali adiacenti. Infatti l'effetto dei rumori e dei disturbi è molto minore in quanto con la modulazione d'ampiezza occorre che, all'entrata nel modulatore, il rapporto segnale-rumore sia pari almeno a 100, con la modulazione di frequenza basta che sia superiore a 2. Poiché l'effetto dei rumori e dei disturbi risulta comunque più elevato verso le alte frequenze, dove i segnali sono generalmente più deboli, per migliorare la fedeltà si impiega, nel modulatore del trasmettitore, un circuito di preenfasi che esalta il segnale proporzionalmente alla frequenza e, nel ricevitore, un circuito di deenfasi che effettua l'operazione inversa. Nei radioricevitori a modulazione di frequenza, l'effetto dei segnali disturbanti può anche manifestarsi come indesiderata modulazione di ampiezza; è quindi necessario porre, dopo l'amplificatore a media frequenza, un circuito limitatore o screstatore, che limiti l'ampiezza del segnale entro un dato valore. Nel caso in cui l'insieme di apparecchiature comprenda l'apparato di registrazione, l'alta fedeltà impone alcuni accorgimenti particolari specifici dei diversi sistemi di registrazione e dello stadio amplificatore in bassa frequenza, che precede l'altoparlante e che può essere anche quello di un radioricevitore o televisore.

Problemi e soluzioni

Il problema dell'alta fedeltà nella registrazione magnetica, oltre all'ottimizzazione dell'estensione e della forma della curva di risposta, è quello di ridurre l'effetto della distorsione, dei disturbi e in particolare dei rumori. L'effetto della distorsione è decrescente con la frequenza, poiché al crescere di questa i cicli di magnetizzazione percorsi dai magnetini elementari del nastro sono sempre più rettilinei. La distorsione decresce inoltre con la velocità di trascinamento del nastro, perché i fenomeni di distorsione sono legati alla lunghezza dei magneti elementari che si creano nel nastro per effetto della magnetizzazione e tale lunghezza è decrescente con la velocità. I rumori nei registratori possono essere elettrici, ossia dovuti alla parte elettrica dell'apparecchiatura, meccanici (attriti, vibrazioni, ondulazioni del nastro), magnetici, ossia dovuti al mezzo magnetico. Il segnale originario è inoltre modificato dalla modulazione d'ampiezza, causata da variazioni di spessore del nastro e di spazio fra nastro e testina, e dalla modulazione di frequenza, dovuta a cause meccaniche, ossia a variazioni di velocità. Queste possono essere di due tipi: wow o tremolio, variazione periodica di frequenza di pochi hertz, dovuta all'elasticità del nastro; flutter o miagolio, variazione casuale di frequenza di qualche decina di hertz, dovuta a fenomeni di attrito fra nastro e testine e a vibrazioni longitudinali di entrambi gli organi. Nei registratori di altissima qualità la riduzione dei disturbi viene ricavata in registrazione mediante la modulazione della frequenza del segnale, con corrispondente demodulazione in riproduzione. La riduzione del wow e del flutter viene ottenuta mediante due sistemi: il primo, meccanico, consiste nella regolazione automatica della velocità dell'albero; il secondo, elettrico, si basa sul principio di bilanciare elettricamente i fenomeni introducendo un segnale elettrico in opposizione di fase, ossia di ampiezza uguale e di segno contrario a quello prodotto dalla variazione di velocità. Lo stadio di amplificazione in bassa frequenza del riproduttore è particolarmente studiato per l'alta fedeltà. La sua parte più importante è il circuito di equalizzazione o compensatore di tono, che ha la funzione di bilanciare i livelli relativi alle basse, medie, alte frequenze; ciò in relazione al fatto che la sensibilità uditiva varia con la frequenza, mentre l'effetto relativo delle varie frequenze componenti il suono varia con il livello; ne deriva quindi che, se si vuole riprodurre fedelmente il timbro di un suono complesso variandone il livello di pressione sonora globale, occorre variare in modo diverso l'amplificazione alle varie frequenze. In alcune apparecchiature a banda di frequenza assai larga viene artificialmente esaltata la risposta attorno a 5000 Hz, allo scopo di determinare il cosiddetto effetto di presenza della sorgente, consistente nel fatto che l'aria interposta fra la sorgente e i microfoni attenua più le alte che le basse frequenze, quindi un'esaltazione delle alte frequenze ha lo stesso effetto, quasi stereofonico, di un avvicinamento dell'ascoltatore alla sorgente. Tale effetto viene raggiunto preferibilmente agendo sull'altoparlante o sulla registrazione, piuttosto che sull'amplificatore di bassa frequenza.

Alta fedeltà digitale

Con il passaggio ai sistemi di registrazione digitale le caratteristiche dei dispositivi ad alta fedeltà sono mutate, come anche le cause che possono introdurre degrado nel segnale riprodotto al termine della catena. Una catena digitale inizia con un microfono analogico e, generalmente, un preamplificatore anch'esso analogico. Dopo viene inserito un campionatore che trasforma il segnale elettrico continuo in una serie di livelli digitali quantizzati. Maggiore è il numero di livelli (o bit) migliore sarà la precisione del campionamento. I CD, per esempio, utilizzano un campionamento a 16 bit poi ridotto a 14 prima dell'incisione. Dal momento che i livelli digitali sono rappresentati da numeri interi, nel passaggio da analogico a digitale, si deve necessariamente approssimare il valore della tensione misurata. Questo errore prende il nome di "errore di quantizzazione" ed è sempre presente in tutte le catene digitali. Un ulteriore errore deriva dalla tolleranza dei componenti elettronici che devono riconoscere le soglie di tensione corrispondenti a ciascun bit. Per ridurlo i moderni sistemi ad alta fedeltà utilizzano campionatori a un solo bit. Un successivo parametro è la frequenza di campionamento che, per il teorema di Nyquist, deve essere almeno il doppio della massima frequenza presente nel segnale analogico. Una registrazione per CD audio prevede una frequenza di campionamento di 44,1 KHz che garantisce una larghezza di banda di 22 KHz, più che sufficiente per definire la registrazione come alta fedeltà. Per migliorare ancora la qualità del segnale si utilizza la tecnica dell'oversampling che inserisce dei campioni fittizi, in mezzo a quelli veri, per diminuire il rumore di quantizzazione. Alla fine della catena, prima dell'amplificatore analogico, il segnale digitale viene trasformato di nuovo in analogico, introducendo un altro errore di interpolazione, e successivamente inviato alle casse. Sono stati tentati, senza troppo successo, sistemi di amplificazione digitale del segnale e diffusione dello stesso con casse acustiche digitali dove la stessa inerzia del cono dell'altoparlante doveva effettuare l'operazione di interpolazione del segnale digitale per riottenere il suono originale. Purtroppo la distorsione introdotta non ha mai permesso un uso pratico del sistema.

Bibliografia

H. B. Hadden, High Quality Sound Recording and Reproduction, Londra, 1962; D. L. A. Smith, Principles of High Fidelity Sound Engineering, Londra, 1963; G. Biondo, F. Pivetta, E. Sacchi, Produzione sonora Hi-fi, Milano, 1989.