Introduzione di Francesco Pampanoni (Webmaster di http://www.headphones.it/)
L'articolo di Mattia Cobianchi riguardante l'equalizzazione elettronica delle cuffie nasce come estensione ed approfondimento di un suo intervento sul forum della rivista on line http://www.videohifi.com/ .
E' per me un grande onore ospitare su Headphones.it la prima parte di un intervento tecnico di grande importanza che non mancherà di suscitare interesse tra chi legge le nostre pagine e ama il contatto intimo con la musica.
Chi è Mattia Cobianchi
Nato a Roma nel 1980, melomane fin da piccolo e musicista per passione da oramai vent’anni, si è avvicinato al mondo dell’hi-fi verso il 1997 attraverso la lettura del sito web Tnt-Audio e la realizzazione di alcuni dei suoi progetti di autocostruzione.
Durante l’università (corso di laurea in ingegneria elettronica) ha cominciato a coltivare la passione per il buon suono ed al termine degli studi ha svolto la tesi di laurea presso una nota azienda italiana di produzione di altoparlanti.
Dal 2004, ad oggi ha lavorato come ricercatore e progettista nelle maggiori aziende italiane produttrici di altoparlanti nei settori car-audio aftermarket ed OEM, professionale, ed hi-fi.
E' specializzato nella modellazione agli elementi finiti (FEA, Finite Element Analysis) in ambito acustico, meccanico ed elettromagnetico.
Membro dell’Audio Engineering Society dal 2002 e della New York Academy of Sciences dal 2003.
Premessa
Il giudizio soggettivo che esprimiamo in merito al suono di una catena di riproduzione è prima di tutto legato alla parte lineare della catena, cioè a quella parte del sistema di riproduzione che è rappresentabile in termini di funzione di trasferimento (modulo e fase) nel dominio della frequenza, o di risposta impulsiva nel dominio del tempo, ed in particolare al modulo della sua funzione di trasferimento, normalmente chiamata risposta in frequenza [1,2].
In sintesi questo significa che quasi tutti gli attributi descrittivi del suono percepito ed il giudizio di preferenza soggettivo che esprimiamo in merito ad una catena di riproduzione sono riconducibili all'andamento della risposta in frequenza, intesa globalmente come sovrapposizione del suono diretto e del suono riflesso/campo riverberato nel caso dei diffusori acustici, mentre nelle cuffie la distinzione suono diretto/suono riflesso non ha molto senso, in quanto il ritardo massimo di un suono riflesso nel suo intero percorso dal trasduttore al timpano è comunque molto piccolo rispetto al tempo di integrazione dell'orecchio.
Il soundstage della cuffia, la ricostruzione del palco virtuale nel quale si dispongono gli esecutori, è anch’esso legato fortemente alla risposta in frequenza, oltre che alla natura ed alla disposizione dei trasduttori nella cuffia ed alla presenza di eventuali pareti riflettenti progettate ad hoc nel padiglione che simulano arrivi "angolati" rispetto alla direzione frontale.
Dobbiamo qui ricordare infatti che se si vuole “emulare” una situazione di ascolto di diffusori acustici posti in ambiente, ove i diffusori interagiscono con l’ambiente attraverso risonanze e riflessioni, bisogna in qualche modo integrare al suono “diretto” emesso dal trasduttore della cuffia anche una certa quantità di suono “riflesso” che rappresenta il contributo di un ambiente virtuale.
Altre caratteristiche “strumentali” della catena come la distorsione non lineare, il rapporto segnale rumore etc., si è scoperto che sono secondari nella valutazione soggettiva della fedeltà di una catena di riproduzione.
Per quelli che si vogliono cimentare in un test d'ascolto sull'udibilità delle distorsioni non lineari degli altoparlanti segnalo il sito http://www.klippel-listeningtest.de/lt/
W. Klippel è uno dei massimi esperti di modellistica dei trasduttori, e sta già da alcuni anni portando avanti un test di ascolto aperto a tutti per capire a livello statistico qual è la soglia minima di distorsione percepibile dagli ascoltatori.
Per condurre al meglio tale test una buona scheda audio ed una buona cuffia sono d’obbligo.
A partire dalle succitate premesse, voglio qui suggerire qualche riflessione su un approccio alla riproduzione in cuffia non proprio convenzionale, che se da un lato elimina in parte il “gioco” del cambio cuffia, apre dall’altro tante altre strade:
-il “gioco” della personalizzazione dell’ascolto a seconda dell’umore e dei gusti,
-l’ottimizzazione della risposta per compensare irregolarità nella risposta della cuffia,
-l’ottimizzazione della risposta per compensare irregolarità nella riposta dell’orecchio, cioè eventuali lesioni uditive,
-in sintesi per riportare quindi la risposta “percepita” della cuffia all’ideale di risposta “piatta” od ad una “curva target” a noi congeniale.
Perché bisognerebbe (quasi sempre) equalizzare la risposta in frequenza di una cuffia ?
La risposta in frequenza percepita è funzione di tre parametri:
1) le caratteristiche oggettive della cuffia così come è stata concepita dal suo progettista,
2) l’accoppiamento più o meno felice con l’amplificatore (adattamento delle impedenze di ingresso e uscita), con i cavi di interconnessione, più l’eventuale “colorazione” dell’amplificatore o della sorgente voluta dal suo progettista,
3) l’orecchio dell'appassionato cuffiofilo di turno, sia come conformazione della pinna, del canale uditivo e della dimensione globale della testa, sia come peculiarità dell’elaborazione dello stimolo sonoro compiuta dal cervello.
Vediamo più in dettaglio ogni punto:
1) Come principio di trasduzione esistono fondamentalmente quattro tipi di cuffie:
- elettromagnetodinamiche (le più diffuse),
- elettrostatiche (Stax in primis),
- magnetoplanari (un tempo prodotte da Yamaha e Fostex),
- Air Motion Transformer (Ergo AMT).
Il principio elettromagnetodinamico prevede un “motore” che provvede allo spostamento dell’elemento radiante costituito da bobina mobile, di forma cilindrica, immersa in un campo magnetostatico: collegando i terminali della bobina ad un amplificatore si farà scorrere una corrente nella bobina che provoca una forza applicata alla bobina in direzione ortogonale alla direzione di scorrimento della corrente ed ortogonale alla direzione delle linee di flusso del campo magnetostatico, risultando infine in un movimento traslatorio lineare della bobina che ha come direzione il suo asse. Un elemento radiante è incollato ad una estremità della bobina ed è tenuto centrato con opportune sospensioni che evitano movimenti che non siano puramente traslatori.
Il principio elettrostatico si basa su un trasduttore capacitivo in cui il segnale da trasdurre modula la tensione presente fra le armature di due pannelli radianti affacciati a formare un grande condensatore.
Il pannello magnetoplanare (detto anche isodinamico) è un pannello radiante percorso da una serpentina conduttiva immersa in un campo magnetostatico, il passaggio di corrente nella serpentina accelera il pannello esercitando una forza omogenea e costante sull’intero pannello.
L’AMT, Air Motion Transformer sviluppato da Oskar Heil, sfrutta sempre la corrente in una serpentina che immersa in un campo magnetostatico comprime le pieghe di una membrana a fisarmonica.
Le modalità di “caricamento” dei trasduttori per il controllo della gamma bassa ricalcano le modalità utilizzate per i diffusori acustici tradizionali, cioè sospensione pneumatica, bass reflex, bass reflex con radiatore passivo, doppio reflex etc. [3,4]
2) Quando l’impedenza di uscita dell’amplificatore non è trascurabile rispetto all’impedenza della cuffia, si ottiene come risultato che la risposta in frequenza e nel tempo del sistema è funzione del carico visto dall’amplificatore, per l’appunto il valore di impedenza che ad una determinata frequenza presenta la cuffia. Infatti l’impedenza non è un valore numerico costante, ma una funzione della frequenza presa in considerazione. Una cuffia elettromagnetodinamica ha tipicamente un modulo di impedenza che all’inizio cresce, arriva ad un valore massimo (a volte presenta più di un picco), quindi diminuisce fino ad un valore minimo (e questo valore minimo dovrebbe essere il valore dichiarato dal costruttore come impedenza della cuffia), ed infine torna a salire in modo regolare nella zona dove l’andamento dell’impedenza è dominato dal comportamento induttivo dei trasduttori della cuffia.
Per avere un’idea dell’andamento tipico delle cuffie in commercio si possono vedere le misurazioni pubblicate su http://www.headphone.com/technical/product-measurements/build-a-graph/
Lo stesso fenomeno avviene per i diffusori acustici, ad esempio nei modelli accoppiati ad amplificatori valvolari dall’impedenza di uscita alta.
Grafico 1: Impedenza della cuffia Sennheiser HD650. In ordinata il modulo dell’impedenza in Ohm, in ascissa la frequenza in Hertz su scala logaritmica
3) La risposta in bassa frequenza, ove la lunghezza d'onda è molto maggiore della camera creata tra il padiglione della cuffia e l'orecchio, è legata alle perdite, poichè il trasduttore lavora "in pressione", e quindi teste più grandi che implicano una maggiore forza esercitata dai cuscinetti sul cranio aumentano la tenuta e riducono le perdite aumentando la risposta in basso, al contrario teste piccole aumentano le perdite riducendo la risposta in basso.
Dalle frequenze medio alte (diciamo dai 2kHz) quando la lunghezza d'onda comincia ad essere comparabile con le dimensioni della camera, il quadro si complica con riflessioni multiple, fino a crearsi in alta frequenza delle vere e proprie “stazionarie” come con i diffusori in una stanza in bassa frequenza, ed è importante allora la distanza tra padiglione della cuffia ed orecchio.
Quindi troviamo il canale uditivo, con la sua peculiare funzione di trasferimento. Infine c’è la parte di “elaborazione” condotta dal cervello che sarà differente da persona a persona.
Grafico 2: Una possibile schematizzazione dell’accoppiamento orecchio-cuffia con alcuni dei parametri significativi che influenzano la risposta di tale sistema come le varie perdite (resistenze R), cedevolezze (capacità C), e masse meccaniche e acustiche (induttanze L), relative al trasduttore (pedice T), alle membrane passive (pedice M), ai condotti verso l’esterno (pedice C), alla camera d’aria dietro il trasduttore (pedice A), alla camera d’aria fra trasduttore ed orecchio (pedice P), ai cuscinetti che garantiscono la tenuta (pedice S)
Un motivo per correggere la risposta in frequenza della cuffia è quindi quello di compensare le deviazioni, non volute dal progettista ma inevitabili e sempre presenti, dovute alla propria unicità di testa, orecchie e cervello.
A volte invece il sound “colorato” della cuffia è voluto, è la firma sonora del marchio, così come si distingue il sound british dal sound americano nei diffusori, ma ciò non toglie che entro certi limiti possiamo intervenire per renderlo più consono ai nostri gusti.
Un altro valido motivo può essere il rendere più piacevoli alcune incisioni, ad esempio quelle con la gamma alta enfatizzata per colpire l’ascoltatore ad un primo ascolto, ma che risultano molto affaticanti alla lunga.
Dopo aver analizzato il perché, qualche cenno ai fondamenti teorici ed alla correttezza di tale approccio.
Le cuffie elettrostatiche, e la stragrande maggioranza delle cuffie elettromagnetodinamiche monovia, sono assimilabili a sistemi a fase minima in un intervallo di frequenze abbastanza ampio e sufficiente per i nostri scopi (misurazioni personalmente effettuate su alcune cuffie AKG mostrano un comportamento a fase minima dai 100 Hz ai 15kHz).
Cosa vuol dire sistema a fase minima ? Vuol dire che c’è una relazione matematica (trasformata di Hilbert) tra risposta in ampiezza (od in modulo) e risposta in fase del sistema.
Per i nostri scopi, ciò è importante perché garantisce che una correzione della risposta in ampiezza effettuata ad esempio con un normale equalizzatore parametrico risulta in un’automatica correzione della risposta in fase.
Questo non è ad esempio possibile in un sistema di diffusori ed ambiente di ascolto, in quanto già la sola presenza del cross-over nei diffusori rende il sistema a fase non minima, ed è questo uno dei motivi per cui i sistemi più sofisticati di DRC (Digital Room Correction) oggi disponibili come il Tact, il Copland, il Lyngdorf ed il DRC di D. Sbragion intervengono anche nel dominio del tempo per correggere la risposta in ambiente di un diffusore. Tali sistemi sono ovviamente utilizzabili anche con una cuffia ovviamente, se qualcuno si volesse cimentare, salvo che basandosi su una misurazione tramite microfono richiederebbero una misurazione accurata della risposta nel proprio canale uditivo con microfoni miniaturizzati, cosa che non è certo alla portata di tutti.
Misurazioni effettuate su una testa artificiale sono limitanti in quanto non tengono conto delle peculiarità del proprio orecchio, e possono essere utilizzate solo per dare una sgrossata ad evidenti caratterizzazioni timbriche della cuffia.
Altro vantaggio dell’equalizzazione in cuffia rispetto all’equalizzazione in ambiente dei diffusori è la coerenza della correzione sulla risposta sia in asse che fuori asse, proprio perché in cuffia esse si fondono ed esiste il solo campo diretto: in ambiente infatti se le caratteristiche della stanza sono tali da modificare il contenuto spettrale, il timbro, delle riflessioni rispetto al suono diretto e/o la risposta del diffusore fuori asse è poco regolare rispetto a quella in asse, l’uso dell’equalizzazione viene in parte vanificato dalla confusione che si genera quando il nostro cervello “sente” arrivare due suoni che sono uno la replica ritardata ma anche degradata timbricamente dell’altro e fatica per integrarli in una sola sorgente virtuale.
A ciò si aggiunga che anche le HRTF, ovvero le Head Related Transfer Function, cioè le funzioni di trasferimento legate alla conformazione della testa e del padiglione uditivo, sono a fase minima.
La Curva Target
Ci sono stati lavori di ricerca con minimicrofono installato nel condotto uditivo di persone in carne ed ossa piuttosto che un manichino e si è arrivati ad una curva target ottima per il tipo di campo “diffuse field”, ormai il più usato, [5,6,7,8].
Tali curve target cercano di "tradurre" per le cuffie quella che per i diffusori acustici è la specifica di una curva di risposta piatta, modellando il filtraggio che un fronte d'onda incidente sulle orecchie subisce prima del suo arrivo sul timpano. Questa è la curva che in teoria a livello strumentale dovrebbe essere stata presa come riferimento dai vari costruttori di cuffie.A partire da questa curva target ogni costruttore può ovviamente deviare in misura maggiore o minore, ed a sua volta l’accoppiamento della cuffia con la nostra testa etc. può produrre ulteriori deviazioni. A tali deviazioni possiamo appunto porre rimedio durante la messa a punto dei filtri dell’equalizzatore in base ai nostri gusti ed alle nostre peculiarità "fisiologiche". Le curve illustrate qui sotto sono ovviamente frutto di medie fra più soggetti, mentre la deviazione di singoli soggetti rispetto alla media può raggiungere i 2,5 dB in gamma media (2-10KHz) e 5 dB in gamma alta (10-20KHz).
Grafico 3: Curva target per il campo “diffuse field” considerando il condotto uditivo chiuso (ad esempio con un tappo apposito per comodità in sede di misurazione della risposta)
Grafico 4: Curva target per il campo “diffuse field” considerando il condotto uditivo aperto (situazione reale)
Bibliografia:
[1] "Subjective Testing of Compression Drivers", Geddes, Earl R.; Lee, Lidia W.; Magalotti, Roberto, JAES Volume 53 No. 12 pp. 1152-1157; December 2005
[2] "Loudspeakers and Rooms for sound reproduction - A scientific review", Floyd E. Toole, JAES Volume 54 No.6 pp.451-476 June 2006
[3] "Loudspeaker and headphone handbook", Edited by J. Borwick, Focal Press, capitolo 12 a cura di C.A. Poldy
[4] What About Headphones? by Steve Mowry (http://www.s-m-audio.com/)
[5] "On the Standardization of the Frequency Response of High-Quality Studio Headphones", Theile, Günther, JAES Volume 34 Number 12 pp. 956·969; December 1986
[6] "Transfer Characteristics of Headphones Measured on Human Ears", Møller, Henrik; Hammershøi, Dorte; Jensen, Clemen Boje; Sørensen, Michael Friis, JAES Volume 43 Number 4 pp. 203-217; April 1995
[7] "Design Criteria for Headphones", Møller, Henrik; Hammershøi, Dorte; Jensen, Clemen Boje; Sørensen, Michael Friis, JAES Volume 43 Number 4 pp. 218-232; April 1995
[8] "Headphone Equalization Using DSP Approaches" , Liem, Hong-Meng; Gan, Woon-Seng, AES Preprint 5051; Convention 107; September 1999