Celle di ritardo
Limiti e possibili usi delle reti di ritardo
By Roberto
Uno dei tanti problemi che affliggono la corretta riproduzione della musica in
auto è dovuto alla notevole differenza di distanza dei sistemi di altoparlanti
sinistro e destro rispetto alla posizione occupata all'ascoltatore che, con la
sola eccezione del passeggero che occupa il posto centrale del divanetto
posteriore, assume sempre una posizione asimmetrica rispetto ai sistemi di
altoparlanti installati.
Tale asimmetria provoca effetti deleteri sulla corretta ricostruzione della
scena sonora, in quanto l'emissione degli altoparlanti dei sistemi sinistro e
destro raggiungono le orecchie dell'ascoltatore in istanti differenti. L'ascoltatore la avverte, quindi,
come una minore precisione nel collocamento degli strumenti nel soundstage.
Ricorrendo a particolari artifici è comunque possibile riuscire a compensare la
diversa distanza dei due sistemi di altoparlanti rispetto all'ascoltatore. Ritardando il segnale destinato ad essere riprodotto dal sistema di altoparlanti
più vicino all'ascoltatore (canale sinistro per il lato guida, canale destro per
il lato passeggero) e allontanando così virtualmente il sistema di altoparlanti.
Il problema della compensazione temporale dei sistemi di altoparlanti sinistro e
destro è soltanto l'aspetto più evidente del problema generale dell'allineamento
temporale che sovente coinvolge anche i singoli trasduttori di uno stesso
sistema di altoparlanti (tweeter, midrange, woofer), i quali, per molteplici
motivi soprattutto legati a ragioni di installazione, non si trovano sullo
stesso piano e alla stessa distanza dal punto di ascolto.
La soluzione ai problemi sopra evidenziati viene dall'elettronica che ci
consente di optare tra soluzioni di tipo digitale e di tipo analogico.
Inizieremo subito dicendo che le reti di ritardo analogiche manifestano dei
limiti ben precisi che, in alcuni casi, non lasciano alternativa all'utilizzo di
processori digitali.
Lo scopo di questo articolo sarà proprio cercare di
analizzare le possibilità e i limiti delle celle di ritardo.
Per comprendere meglio il motivo per cui in alcuni casi i processori digitali
rappresentino l'unica soluzione per ottenere una corretta ricostruzione del
soundstage in abitacolo, vediamo più in dettaglio il funzionamento di questi
ultimi, lasciando poi spazio alla descrizione delle reti di ritardo analogiche.
I processori di ritardo digitali
In un processore di ritardo digitale, il ritardo viene ottenuto memorizzando il
segnale audio da processare in una memoria tampone di tipo RAM per essere poi
prelevato dopo il tempo corrispondente al ritardo voluto. Poiché la
memoria tampone lavora con dati digitali, esso dovrà disporre di convertitore
A/D e D/A per poter convertire rispettivamente il segnale analogico in ingresso
in forma digitale (utilizzabile dalla RAM) ed il segnale digitale ritardato
nuovamente in forma analogica: è evidente come la doppia conversione possa
contribuire all'aumento della distorsione del segnale; questo è, in effetti, il
punto debole dei processori digitali, assieme al costo solitamente correlato
alla qualità del processore.
In effetti l'alternativa esiste, ed è quella di inserire il processore in un
percorso totalmente digitale, cosa che complica però ulteriormente l'impianto e
ne aumenta i costi (occorre prevedere un convertitore D/A separato da installare
a valle del processore).
Nonostante l'elevato costo, soprattutto in quest'ultimo frangente, la soluzione
digitale è tuttavia l'unica che permette di ottenere un'ampia escursione di
ritardi temporali, in alcuni casi inarrivabili dalle più semplici reti di
ritardo analogiche.
Le Celle di ritardo analogiche
Le reti di ritardo operano il ritardo in maniera totalmente diversa dai
processori digitali. Il ritardo viene infatti ottenuto come conseguenza della
rotazione di fase del segnale applicato in ingresso.
Altro non sono che filtri passa tutto (all pass), definiti appunto come
quadripoli che lasciano passare senza alcuna attenuazione tutte le frequenze del
segnale audio, apportando cambiamenti soltanto alla fase.
Dalla lettura delle prime righe di questo paragrafo si sarà facilmente compreso
che esiste una precisa relazione tra ritardo di fase e ritardo temporale: come
vedremo più avanti, essa riveste una importanza notevole e sta alla base di
tutte le considerazioni che faremo sulle possibilità di impiego delle celle di
ritardo analogiche. Quanto segue servirà per comprendere meglio i concetti sopra esposti.
Consideriamo un segnale sinusoidale (le considerazioni cui vogliamo giungere
sono comunque valide con qualsiasi forma d'onda alternativa). Il periodo
completo (definito dal tempo intercorso da due punti del segnale che assumono
valore) corrisponde ad un angolo di 360 gradi, in quanto la funzione sinusoidale
y = sen(alfa) assume gli stessi valori, con lo stesso andamento, ogni 360 gradi.
Il segnale sinusoidale descritto e le grandezze che lo interessano sono
rappresentate in figura 1.
un click per ingrandire
Apportando alla sinusoide di figura 1 uno sfasamento di 90 gradi, otterremo
quanto mostrato in figura 2, dove la sinusoide A rappresenta il segnale
originale, mentre la sinusoide B rappresenta il segnale ritardato. E' possibile
notare che la sinusoide B raggiunge gli stessi valori della sinusoide A dopo un
tempo Ta-Tb, valutabile nella scala dei tempi una volta nota la frequenza (e
dunque il periodo) del segnale: la differenza Ta-Tb assume il significato del
ritardo temporale ottenuto.
un click per ingrandire
L'analisi della figura 2 fornisce diversi elementi che ci consentono di fare
importanti valutazioni: innanzitutto dovrebbe risultare chiaro che il massimo
ritardo ottenibile da una rete è confrontabile come ordine di grandezza col
periodo del segnale, pari all'inverso della frequenza. Questa caratteristica
limita notevolmente le possibilità l'impiego nei confronti di segnali a
frequenza elevata, caratterizzati da lunghezze d'onda ridotte e alle quali i
ritardi di fase ottenuti dalle reti (anche se di ordine elevato) si traducono in
ritardi temporali modesti, non sempre sufficienti per compensare le diverse
distanze degli altoparlanti installati in un comune impianto audio, soprattutto
se installato in auto.
Questa considerazione è molto importante in quanto sta alla base
dell'affermazione fatta sopra, circa l'impossibilità pratica di ritardare
significativamente ed in maniera coerente l'emissione di un intero sistema di
altoparlanti. Definendo il periodo come:
T = 1/f
possiamo infatti vedere come un ritardo di 180 gradi (mezzo periodo) produca un
tempo di ritardo notevole a frequenze basse, ma del tutto inservibile per le
nostre esigenze a frequenza ben più alte, ad esempio nella gamma di competenza
del tweeter.
- Ad esempio a 100 Hz:
- T = 1/f = 1/100 Hz = 0,01 s; da cui T/2 = 0,005 s = 5 ms
che corrisponde ad un allontanamento virtuale di:
- L = 340 m/s * T/2 = 340 m/s * 0,005 s = 1,7 metri
- mentre a 10 kHz:
- T = 1/f = 1/10000 Hz = 0,0001 s; da cui T/2 = 0,00005 s = 0,05 ms
che corrisponde ad un allontanamento virtuale di:
- L = 340 m/s * T/2 = 340 m/s * 0,00005 s = 0,017 m = 17 mm
ritardo quest'ultimo già difficilmente sufficiente a compensare la diversa
distanza tra tweeter e midwoofer in un sistema di altoparlanti, figuriamoci tra
sistemi di altoparlanti sinistro e destro.
E' possibile aumentare il numero di celle in cascata per ottenere ritardi
maggiori, ma a questo punto è già chiaro che si complica eccessivamente la
realizzazione, che dovrà necessariamente prevedere componentistica dalla
tolleranza ridotta, senza tuttavia arrivare ancora ai vantaggi sperati.
CONCLUSIONI
Diffidiamo dai ciarlatani che affermano di riuscire a fare miracoli con le celle di ritardo che, secondo loro, dovrebbero riposizionare la scena sonora al centro dell'abitacolo (dove per convenzione per centro dell'abitacolo si intende il nostro centro di ascolto, cioè di fronte a noi. Di fatto la scena sonora è già al centro, siamo noi a stare nel posto sbagliato). Come dimostrato, i ritardi ottenibili sono tali da non poter compiere quello che, a questo punto, sembra essere un prodigio divino. In ogni caso, anche ammettendo per assurdo di volere realizzare un sistema di celle multiple (nel qual caso fate spazio nel baule) il riallineamento temporale potrebbe essere operato in maniera univoca: in altre parole si dovrebbe scegliere quale lato privilegiare visto che si dovrebbe ritardare uno dei due canali destro o sinistro per riposizionare il soundstage. Beh, non ci sembra che l'ipotesi sia da prendere in considerazione, sarebbe un assurdo tecnico per ottenere un impianto peggiore di prima.
Applicazione sensata delle celle di ritardo
In un sistema di diffusione acustica tradizionale a due vie composto da woofer e
tweeter, sorge un problema derivante dalla diversa collocazione dei centri di
emissione, il ben noto offset. In questo caso la cella di ritardo può effettivamente aiutare a riallineare in modo temporale le due emissioni, ma vediamo di cosa si tratta.
Osservando la figura si nota che i centri di emissione (corrispondono con la
bobina mobile) dei due driver non sono sullo stesso piano ma sfalsati. Questo si
verifica quando il pannello frontale è piatto; molti costruttori adottano forme
o inclinazioni tali da compensare la distanza esistente tra i centri di
emissione, detta offset.
Succede che in corrispondenza della fc (frequenza di crossover) le emissioni dei
due altoparlanti giungono all'ascoltatore in istanti diversi: prima quella del
tw e poi quella del wf. Questo crea una sorta di confusione nella riproduzione
di quelle frequenze che interessano la zona di sovrapposizione tra wf e tw.
Si noti bene: il fenomeno interessa solo la zona di sovrapposizione.
Ora, per compensare la distanza (come ben si capisce non potrà che essere di
pochi centimetri) minima che esiste fra i centri di emissione è possibile usare
una o due celle di ritardo. Tuttavia, anche in questi casi, si ricorre ai
ritardi solo se veramente indispensabile: nella pratica, molti produttori
preferiscono adottare inclinazioni o forme del pannello frontale tali da
riposizionare i centri di emissione.
In auto volendo andare a spaccare il capello in quattro è possibile "rifasare"
gli altoparlanti di un canale in modo tale da ottenere un riallineamento
temporale del woofer rispetto al tweeter. Per le ragioni esposte sopra,
tuttavia, si capisce bene che la distanza fra i centri di emissione e tale da
non permettere un effettivo riallineamento ma solo una blanda compensazione.