SUONO
SUONO (XXXIII, p. 995; App. III, 11, p. 872)
Quadrifonia. - È stato recentemente sviluppato un metodo di ripresa e riproduzione sonora a quattro canali, noto sotto la denominazione di "quadrifonia". Il segnale microfonico, prelevato in quattro distinti punti di ripresa, viene inizialmente registrato su nastro magnetico ad altrettante piste indipendenti e, attraverso un'opportuna elaborazione, inviato a quattro riproduttori sonori (fig.1, ove AS è il riproduttore anteriore sinistro, AD quello anteriore destro, PS quello posteriore sinistro, PD quello posteriore destro). Avvalendosi di questa tecnica, si ottiene un miglioramento rispetto ai sistemi stereofonici tradizionali avendo la possibilità, in teoria, di ricreare nell'ambiente di ascolto qualunque direzione di provenienza del s. compresa fra 0° e 360°.
I metodi adottabili per trasmettere via radio, o incidere su disco, quattro canali separati sono molteplici; è tuttavia possibile 'semplificare il problema utilizzando una codificazione e decodificazione dei segnali mediante reti a matrice. Questa procedura è ora molto diffusa poiché consente la trasmissione delle informazioni sonore su due soli canali indipendenti (per es., modulazione laterale e verticale del solco di un disco) conservando la compatibilità della riproduzione quadrifonica con quella dei sistemi convenzionali. Uno dei metodi di codificazione attualmente più diffusi è quello indicato con la sigla SQ (Stereofonico-Quadrifonico) adottabile sia per radiotrasmissioni a modulazione di frequenza, sia per incisione su dischi normali.
È intuibile che l'uso di due soli canali di trasmissione dell'informazione sonora comporta effetti secondari che non avrebbero luogo in sistemi a quattro canali indipendenti; tali effetti sono comuni a tutti i sistemi a matrice, ma sono minimizzabili sfruttando alcune proprietà psicoacustiche dell'udito. In primo luogo giova citare l'"effetto Haas", secondo il quale in presenza di due sorgenti sonore emettenti un medesimo segnale con pari intensità ma con un ritardo di alcuni millisecondi l'una rispetto all'altra, l'ascoltatore percepisce il s. come proveniente dalla sola sorgente non ritardata. Nel caso in cui, invece, non si abbia ritardo, l'angolo α (fig. 1) di provenienza apparente del s. fra due sorgenti che sottendano un angolo 2 β rispetto all'ascoltatore è calcolabile tramite la relazione:
ove Is e Id rappresentano le intensità acustiche del s. proveniente dalle due sorgenti. Come appare dalla [1], il valore dell'angolo α non può risultare superiore a quello dell'angolo β e in ciò consiste la limitazione intrinseca della stereofonia a due canali.
Con l'impiego di matrici SQ un segnale proveniente in origine da una sorgente frontale, dopo l'operazione di codifica e decodifica oltre ad apparire sulle sorgenti frontali AS, AD (fig.1) è presente anche sulle sorgenti posteriori PS, PD, benché attenuato di 3 dB. Questo segnale spurio non viene però percepito, contribuendo solo a intensificare il s. che l'ascoltatore sente giungere ancora da un punto collocato fra le due sorgenti anteriori AS, AD con un angolo di provenienza ancora determinato dalla [1]. Ciò è plausibilmente dovuto all'effetto schermante della testa dell'ascoltatore, alla direttività dell'apparato uditivo, all'attenuazione prima citata del s. posteriore nonché ad altri fattori psicoacustici che riducono significativamente l'intensità soggettiva del s. diretto proveniente dal retro. Il s. riverberato dalle pareti dell'ambiente, essendo ritardato rispetto al s. diretto frontale, non incide sulla direzione apparente di quest'ultimo in base all'effetto Haas.
Quanto ora detto consente di tollerare una diafonia piuttosto elevata fra canali anteriori e posteriori a patto però che l'ascoltatore mantenga nell'ambiente la posizione indicata in fig.1; in impianti particolarmente sofisticati è tuttavia possibile rivelare tramite circuiti logici tale diafonia riducendola drasticamente con il controllo dinamico del guadagno degli amplificatori che pilotano i quattro riproduttori. Occorre sottolineare la necessità di mantenere comunque nulla la diafonia fra i canali anteriori allo scopo di non restringere l'angolo di ascolto frontale.
Intervengono nell'ascolto altri fattori cui accenneremo brevemente. Supponendo, sempre riferendosi alla fig.1, che siano in funzione le due sole sorgenti posteriori, il campo acustico da esse simulabile non copre un angolo di ampiezza pari a 2 β, come ci si attenderebbe in analogia a quanto avviene per le sorgenti anteriori, ma si riduce a circa un terzo di tale valore a causa di un effetto soggettivo di contrazione del campo posteriore non ancora ben noto. Un altro effetto soggettivo, che viene sfruttato nel processo di codifica e decodifica più oltre descritto, consiste nell'allargamento del fronte sonoro, e nel suo apparente allontanamento dall'ascoltatore, che si ottiene alimentando le due sorgenti frontali con segnali eguali, ma sfasati fra loro di 90°. La zona di provenienza del s., inoltre, è determinata dalla sorgente alimentata in anticipo di fase.
In base a tutte le considerazioni svolte, si è scelta come matrice di codifica quella simbolizzata dalle relazioni:
ove i indica uno sfasamento di 90° e AS, AD, PS, PD rappresentano i quattro segnali microfonici di ripresa. Si noti che questa codifica è chiaramente compatibile con le normali trasmissioni o incisioni stereofoniche: in tal. caso infatti i termini PS e PD saranno nulli e la [2] si riduce a S = AS, D = AD, come nei sistemi convenzionali.
Nel caso inverso di ripresa quadrifonica e riproduzione stereofonica, oltre ai segnali anteriori AS, AD giungeranno su entrambi i riproduttori due frazioni, di pari entità ma in quadratura di fase, dei segnali posteriori PS, PD. Questi contributi non dànno luogo a immagini sonore spurie, riuscendo anzi a creare un migliore riempimento del fronte sonoro, come si può intuire riferendosi ai principi precedentemente esposti.
La matrice completa di decodifica SQ, necessaria per ripristinare i quattro segnali originali a partire dai due (S, D) ottenuti in seguito alla codificazione, è la seguente:
Come appare dalle relazioni [3], gli altoparlanti anteriori sinistro e destro vengono alimentati come sopra detto riguardo al caso di ripresa quadrifonica e riproduzione stereofonica; vengono inoltre ottenuti i segnali posteriori che, similmente agli anteriori, contengono non attenuati, non sfasati e senza diafonia i rispettivi segnali di ripresa posteriore sinistra e destra, più dei contributi, attenuati e sfasati fra loro, dei segnali frontali che dànno solo luogo a un effetto di riempimento del fronte sonoro posteriore.
Bibl.: H. Hass, Uber den Einfluss eines Einfachechos auf die Hörsamkeit Sprache in Acustica, vol. 1, n. 2 (1951), pp. 49-58; B.B. Bauer, Phasor analysis of some stereophonic phenomena, in Journal of acustical society of America, vol. 33, n. 11 (1956); J.M. Eargle, On the processing of two- and three-channel program material for four-channel playback in Journal of the audio engineering society, vol. 19, n. 4 (1971), pp. 262-66; P. Scheiber, Four channels and compatibility, ibid., vol. 19, n. 4 (1971), pp. 266-79; id., Suggested performane requirements for compatible four channel recordings, ibid., vol. 19, n. 8 (1971), pp. 547-50; B.B. Bauer e altri, A compatible Stereo-Quadraphonic (SQ) record system, ibid., vol. 19, n. 8 (1971), pp. 638-46; T. Nakayama e altri, Subjective assessments of multichannels reproduction, ibid., vol. 19, n. 9 (1971), pp. 744-51; G Shorter, Four channel stereo. An introduction to matrixing, in Wireless world, genn. 1972; id., Four channel stereo. Some commercial quadraphonic matrix system, ibid., febbr. 1972; id., Surroundsound circuits, ibid., marzo 1973.
Registrazione e riproduzione magnetica dei suoni. - Registratori a cassetta. - Negli ultimi anni si è andato sempre più affermando, per l'uso amatoriale e recentemente anche in campo professionale, l'impiego di registratori magnetici denominati "a cassetta". La cassetta è costituita da un involucro di plastica contenente le due bobine di avvolgimento e i rullini di rinvio del nastro. Fori e fessure, opportunamente disposti, permettono il contatto del nastro con le testine magnetiche e l'inserimento dell'albero di trascinamento per il trasporto del nastro. Il nastro impiegato nelle cassette è alto circa la metà di quello standard di 6,35 mm, lo spessore è di circa 10 μm per il supporto, più 5 μm per l'ossido e la velocità di scorrimento (unica) è pari a 4,75 cm/sec (1,87 pollici/sec).
La registrazione viene effettuata su mezza pista negli apparecchi monofonici e su un quarto di pista in quelli stereofonici. In questo modo è possibile capovolgere a fine nastro la cassetta, raddoppiando virtualmente la durata del nastro. Per quanto riguarda quest'ultima, essa è compresa fra 45 e 120 minuti, a seconda dello spessore del nastro e della sua lunghezza. Stante le piccole dimensioni della cassetta, la durata maggiore è ottenibile con l'impiego di nastro estremamente sottile, il che peraltro presenta lo svantaggio di esaltare l'effetto copia fra uno strato del nastro e gli adiacenti.
Un altro genere di cassetta è quella nota come "stereo otto", nata per l'impiego su autoveicoli e sporadicamente anche usata in impianti fissi. Questa cassetta impiega nastro standard alto 6,35 mm, alla velocità di 9,5 cm/sec, con incisione su otto piste (di larghezza pari a un quarto di traccia delle cassette precedentemente citate), il che consente la registrazione di quattro programmi stereofonici.
La registrazione su cassette, molto pratica per l'utente, presenta una limitazione intrinseca dovuta essenzialmente alla bassa velocità di scorrimento del nastro e alla larghezza limitata delle piste magnetiche. Questi fattori, almeno nelle prime apparecchiature a cassetta, comportavano una banda di frequenze limitata a circa 8 kHz, un rapporto segnale/disturbo di circa 35 dB, una modulazione spuria del segnale (wow e flutter), dovuta principalmente alle irregolarità di trascinamento del nastro, di circa lo 0,4 ÷ 0,5%. Recenti miglioramenti introdotti nella produzione dei nastri magnetici e delle testine magnetiche, nonché l'introduzione di nuove tecniche di registrazione (metodi di compressione ed espansione del segnale), hanno permesso di ottenere anche nel caso dei registratori a cassetta elevati standard di qualità (banda di frequenza estesa fino a 12 ÷ 15 kHz, rapporto segnale/disturbo 48 dB, wow e flutter minori dello 0,2%).
Naturalmente l'insieme di tali tecniche e accorgimenti, applicati a un registratore di tipo convenzionale a bobine, permettono anche in questo caso di raggiungere risultati migliori che in passato.
Nuovi nastri magnetici. - Da alcuni anni sono stati immessi sul mercato nastri magnetici su supporto in poliestere o PVC, con strato magnetico costituito da ossidi non ferrosi (nichel, cadmio, cromo, cobalto). In particolare hanno assunto grande diffusione i nastri a biossido di cromo (CrO2) che presentano il vantaggio, rispetto ai precedenti a sesquiossido di ferro (γFe2O3), di un miglior rapporto segnale/disturbo e di una risposta più estesa nel campo delle frequenze elevate. Queste caratteristiche vengono però evidenziate solo facendo ricorso a un'opportuna equalizzazione e premagnetizzazione, potendosi altrimenti avere prestazioni anche inferiori a quelle del nastro a sesquiossido di ferro.
Oltre a questa mancanza di compatibilità con gli altri nastri, che richiede quindi l'impiego di apparecchiature con caratteristiche d'incisione adattabili all'impiego del nastro al biossido di cromo, si ha ancora qualche altro svantaggio: la cancellazione risulta più difficoltosa (richiede correnti maggiori nella testina di cancellazione a parità di attenuazione) e il nastro, essendo più abrasivo, deteriora le testine molto più rapidamente. Quest'ultimo svantaggio è stato praticamente eliminato mediante l'impiego di testine in ferrite, che solo recentemente è stato possibile rendere commerciabili e che sono esenti da usura per la loro particolare durezza superficiale.
In fig. 2 sono riportate le curve di isteresi del CrO2 e del γFe2O3; si nota un maggior valore dell'induzione magnetica di saturazione (1600 gauss e 1300 gauss rispettivamente) e un maggiore campo coercitivo (495 oersted contro 315) per il CrO2, che rendono conto di alcune proprietà caratteristiche dei nastri a CrO2, già illustrate. Poiché il CrO2 ha una bassa resistività elettrica, non occorre fare ricorso a componenti additivi (per es. carbonio), che vengono normalmente impiegati nei nastri ferrosi per evitare fenomeni elettrostatici dannosi per il nastro stesso.
In fig. 3 sono riportate le curve di risposta e la caratteristica di rumore per un nastro a CrO2 rispetto a un nastro a γFe2O3 relativamente a un apparecchio a cassette avente equalizzazione adatta a un nastro a γFe2O3. Come appare dalla fig., il nastro a CrO2 necessita, se si desidera ottenere una curva di risposta piatta, di un'adeguata equalizzazione. Dalla stessa fig. è anche desumibile che, a parità di rumore di fondo, il nastro a cromo permette una dinamica maggiore (circa + 4 dB). La fig. 4 mostra l'andamento della curva di risposta del nastro al cromo con adatta equalizzazione.
Recentemente è stato introdotto un nuovo tipo di nastro avente come strato magnetico un'opportuna mescolanza di ossidi di ferro e di cromo, che sembra presentare i medesimi vantaggi dei nastri a CrO2 senza averne gl'inconvenienti, in particolare mantenendo le stesse caratteristiche di equalizzazione e polarizzazione dei nastri standard.
Come si è accennato in precedenza, il miglioramento ottenuto mediante l'impiego di nuovi tipi di nastro, se è stato vantaggioso per la registrazione professionale su bobine, ha contribuito in special modo a migliorare le prestazioni dei registratori a cassette il cui uso in campo amatoriale si è andato affermando considerevolmente.
Testine magnetiche in ferrite. - L'impiego della ferrite nella costruzione delle testine di lettura, registrazione e cancellazione per registratori magnetici è stato da tempo ritenuto conveniente a causa delle eccellenti proprietà magnetiche della ferrite unitamente alle basse perdite per correnti parassite. Un altro vantaggio importante è costituito dalla durezza superficiale della ferrite, che dà luogo a un'usura pressoché nulla rispetto alle testine classiche in mumetal. Tuttavia solo da qualche anno è stato possibile ovviare, a costi contenuti, alle difficoltà costruttive che rendevano problematica sia la realizzazione di traferri di regolari dimensioni e dello spessore richiesto, sia la possibilità di ottenere una sufficiente stabilità delle caratteristiche magnetiche al variare della temperatura.
Queste difficoltà sono state superate associando opportunamente alla ferrite sostanze ceramiche e vetrose. Attualmente si costruiscono testine in ferrite con traferro di 1,5 ÷ 2 μm, valore ottimale per registratori a cassette. Alcune case costruttrici hanno realizzato testine in ferrite inglobate in un involucro di vetro, che comportano rilevanti problemi di produzione, ma che presentano il vantaggio di minimizzare l'usura del nastro grazie al fatto che le parti angolose del traferro risultano annegate nel vetro. L'uso delle testine in ferrite ha avvantaggiato i registratori sia professionali che a cassette.
Tecniche per la riduzione del rumore. - Uno dei principali problemi della registrazione magnetica consiste nella limitazione del campo dinamico del nastro, compreso fra il livello del rumore di fondo e il massimo livello d'incisione tollerabile per un assegnato valore della distorsione armonica. Per parecchi anni si sono tentate molte vie per ottenere una riduzione del rumore di fondo mediante un'opportuna elaborazione dei segnali. Uno dei metodi che ha avuto ampia diffusione è noto come "sistema Dolby", dal nome del suo inventore (Ray M. Dolby).
Per l'uso professionale si fa ricorso ad apparecchiature che applicano il procedimento Dolby per le bande di frequenza distinte 20 Hz ÷ 80 Hz, 80 Hz ÷ 3 kHz, 3 kHz ÷ 9 kHz, 9 kHz ÷ 20 kHz, mentre per uso domestico-amatoriale viene impiegato un sistema semplificato (Dolby B) che agisce in una sola banda alle frequenze più elevate. Mediante il sistema Dolby si possono ottenere miglioramenti del rapporto segnale/disturbo dell'ordine di 8 ÷ 10 dB. Il procedimento entra in azione durante e dopo la registrazione: vengono selezionati i segnali più deboli durante la registrazione e il loro livello viene automaticamente incrementato (i segnali a livello più elevato non subiscono alcuna alterazione). In fase di riproduzione le componenti a basso livello vengono attenuate nella stessa misura con la quale erano state esaltate in registrazione in modo da ricomporre esattamente la dinamica del segnale originale e da eliminare buona parte del rumore prodotto dal processo di registrazione.
L'introduzione del sistema Dolby, oltre ad avere grande importanza nelle applicazioni professionali, ha notevolmente contribuito, almeno nella versione più semplificata, a portare a un elevato livello le prestazioni dei registratori a cassette per uso domestico. Con l'impiego di tale sistema si può oggi ottenere con registratori a cassette un rapporto segnale/disturbo ponderato di circa 48 dB, valore molto prossimo a quello raggiunto fino a qualche anno fa da registratori a bobine di buona qualità.
Bibl.: R.M. Dolby, An audio noise reduction system, in Journal of the audio engineering society, ott. 1967; B. Lane, Progress in tape recording, in Wireless world, nov. 1971; L.K. Jordan, R.J. Kerr e J.E. Dickens, Chromum dioxide audio cassette tape, ibid., vol. 20, n. 1 (1972).