Decibel e Meter – I

Il Decibel è l’unità di misura logaritmica utilizzata per il suono, ma a seconda della sua applicazione ha una propria scala e valori di riferimento. Tralasciamo per il momento il decibel acustico ( pressione, potenza, densità ed intensità sonora ) che richiede argomentazioni a parte e concentriamoci invece sulle scale e misurazioni in decibel utilizzate nelle apparecchiature audio analogiche e digitali.

Nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche il segnale audio circola sotto forma di impulsi elettrici sinusoidali in campo analogico ed impulsi ad onde quadre in campo digitale. L’unità di misura utilizzata per definire i valori di tensione circolanti è il Volt ma in ambiente audio per avere una comune unità di misura ed una più facile e comprensibile immediata lettura si utilizza il Decibel.

Le applicazioni in cui si utilizza maggiormente il decibel per definire una scala di valori di tensione sono i meter, che identificano il livello di segnale in input e output dalle apparecchiature audio, in modo da consentire un corretto interfacciamento tra i dispositivi ed il corretto invio della giusta quantità di segnale, cosi da avere un livello di segnale ottimale senza che il sistema risulti sotto o sovra dimensionato potendo in certi casi creare valori di distorsione e danneggiamento delle apparecchiature.

 

Tipologie di Decibel

Vediamo adesso quali sono gli standard più comunemente utilizzati per definire una scala in decibel in ambito analogico.

Standard EBU ed SMPTE

La EBU ( Europe Broadcast Union ) e la SMPTE ( Society of Motion Picture and Television Engineers ) sono due società, la prima Europea e la seconda Americana che definiscono gli standard ( sia costruttivi che relativi ai valori di tensione circolanti nelle apparecchiature ) per il broadcast e la radio diffusione in cui rientra anche l’audio professionale sia Live che Studio.

I dati sui riferimenti dei Decibel e relativi valori di tensione che vedremo per il livello professionale sono i più utilizzati e a definirli è lo standard SMPTE. La EBU è più incentrata nel Broadcast europeo ed ha valori leggermente differenti.

Un tempo esisteva solo un valore di decibel utilizzato in qualsiasi standard, il dBm.

m sta per mW ( milliwatt ) perché i sistemi di lavoro ( mixer – amplificatori, processori ) utilizzavano come riferimento la potenza ( il prodotto tra tensione e corrente ) invece che la sola tensione ( per riferimento si intende il valore medio massimo possibile del segnale in uscità o in ingresso di un dispositivo esempio mixer, amplificatori o processori come effetti o anche equalizzatori, oltre il quale si possono generare valori di distorsione di un ordine percentuale oltre la tolleranza, che per apparecchiature elettroniche si parla di 0,1 – 0,01 % ).

n.b. Circuiti calcolati per interfacciarsi con riferimento in potenza generavano più distorsione quindi meno qualità rispetto a quelli odierni ma consentivano di portare ad esempio da un mixer verso l’amplificatore una maggiore potenza che con sistemi a riferimento in tensione.

Ad oggi si utilizzano quasi esclusivamente circuiti realizzati con riferimento in tensione in quanto portano più qualità e minore distorsione, considerato che ad oggi anche con una potenza inferiore si riescono ad ottenere valori di pressione sonora rilevanti.

Questo decibel veniva utilizzato a livello professionale negli anni 60′ – 70′ – 80′ ai tempi delle valvole, oggi è in disuso ma lo si può ancora trovare in alcuni mixer vintage.

In pratica sta ad indicare il passaggio in uscita di 1mW su una resistenza di 600 Ω. Infatti i mixer di una volta avevano nella loro uscita ( es. main out ) una resistenza ( come visto nella spiegazione delle linee bilanciate in argomento Cavi Audio Analogici-III ) di 600 Ω dalla quale facevano passare una potenza di 1mW. Il valore in tensione di questa uscita è di 0,775 V.

n.b. I valori e standard di riferimento come anche questo del dBm sono sempre calcolati con fader o guadagno a 0 dB per cui senza attenuazioni e senza amplificazioni pre entrata o pre uscita.

Generalmente lo standard è calcolato per le uscite mentre per gli ingressi viene indicato il livello di segnale di riferimento accettabile per quel tipo di circuito ( che come vedremo sono diversi in base allo standard ), ed attraverso il meter ( sia per le uscite che per gli ingressi ) è possibile come vedremo capire il livello in dB della tensione attualmente circolante.

Per i circuiti con riferimento in tensione a livello consumer c’è il dBV.

V sta per voltage perché ha il valore di riferimento in tensione.

Viene utilizzato nel mercato consumer ma lo si può trovare anche in alcuni dispositivi professionali per interfacciare ad essi segnali consumer ( lettori cd, smarphone ). Si riferisce ad 1 V su una resistenza da 600 Ω.

Viene spesso indicato con -10 dbV. ( come riferimento allo 0 dB di 1 mW su una resistenza di 600 Ω ), ha valore di 0,3 V.

Oggi a livello professionale i mixer o qualsiasi altro dispositivo audio professionale, nella loro uscita di linea hanno una resistenza a 50 Ω o anche meno, quindi si è avuto la necessità di introdurre un altro valore: il dBu o dBv.

Non viene mai scritto con la v piccola per non confondersi con la V grande e quindi si trova quasi sempre il dBu. Anch’esso è riferito alla tensione. Lo si può trovare come riferimento a 0,775V quando 1mW passa su di una resistenza di 600 Ω e quindi identico al dBm, soltanto scritto dBu perché il circuito è di riferimento in tensione. Oppure, nei sistemi più professionali con riferimento a 1,224 V perché i moderni dispositivi come abbiamo detto hanno resistenza da 50 Ω.

Molto spesso si può trovare scritto nei vari dispositivi + 4 dBu, questo perché ponendo come riferimento le uscite o gli ingressi di segnale di un tempo e quindi 0,775 V a 0 dB ( lo 0 dB in un dispositivo di ingresso o uscita audio sta ad indicare che il livello della tensione è quello da standard operativo ), le uscite di oggi hanno un valore di + 4 dBu e cioè come abbiamo visto 1,224 V.

Questi sono i principali valori di tensione utilizzati nella musica da live o da studio per il segnale di linea in uscita o in ingresso. I percorsi di linea utilizzati nel broadcast, quindi in televisione o nel cinema hanno maggiori valori e cioè di + 8 dBu ( 2,24 V ).

 

Standard a livello digitale

Vediamo adesso quali sono gli standard più comunemente utilizzati per definire una scala di decibel in ambito digitale.

Per standard di tensione in dominio digitale si intende il percorso del segnale da dispositivi di output ad input sempre in dominio digitale, quindi dopo la conversione A/D e prima della conversione D/A ( il segnale digitale sarà sempre e comunque da convertire in analogico prima della diffusione sonora in quanto la fisica del suono è in natura in dominio analogico ).

I due standard rappresentativi sono sempre quello EBU ed SMPTE che pongono come riferimento il massimo valore dell’onda quadra oltre il quale si generano fenomeni di distorsione. Per l’EBU è + 18 dBu ( prendendo sempre come riferimento lo o dBm visto precedentemente ) pari a 6,16 V, per l’SMPTE è + 24 dBu pari ad un valore di tensione di 12,28 V.

Alcuni produttori più che altro per strategie di marketing creano propri standard di utilizzo per il collegamento delle proprie apparecchiature audio digiali. Questo avviene soprattutto in ambito consumer in quanto sia lo standard EBU che SMPTE hanno creato uno standard considerando di unire l’ambiente consumer a quello professionale.

n.b. Lavorare con tensioni più elevate come il caso digitale rispetto a quello analogico necessità si di circuiti più sofisticati e delicati ma consente di ottenere a valle del percorso del segnale una migliore qualità risentendo meno delle interferenze esterne soprattutto ed anche perchè in dominio digitale l’onda è quadra e non sinusoidale più difficile da deformare, in dominio digitale poi come vedremo in altre argomentazioni ci saranno altri tipi di problemi.

 

Lo 0 dB

Per definire un riferimento non basta però decidere come devono essere i circuiti di ingresso ed uscita, quali le resistenze e le tensioni in gioco ma è necessario poter consentire all’operatore ( tecnico audio ) di poter capire l’entità di questi valori cosi da poterli gestire al meglio.

Per fare questo i meter ( fig. 1 ) che come detto consentono di visualizzare il livello del segnale in ingresso ed uscita, sono stati realizzati ponendo il numero 0 come riferimento.

fig. 1 Meter.jpg

Quando il livello del segnale arriva a 0 dB significa che il suo valore è quello massimo come da standard seguito, è quindi importante sapere e conoscere il tipo di standard utilizzato ( quindi tensione circolante ), in modo da interfacciare diversi dispositivi senza porre in sovraccarico o sottodimensionare il dispositivo a cui il segnale arriva.

Valori superiori allo 0 in ambito analogico sono accettati in quanto si parla di sinusoidi che hanno dinamica e valori RMS, ma generalmente fino ad un + 6 dB o + 9 dB in quanto già a + 1 dB il circuito comincia a diventare instabile ( alterazioni della dinamica e risposta in frequenza ) e cominciano a generarsi le prime distorsioni fino alla rottura dei componenti stessi.

n.b. Al contrario per valori di tensione troppo bassi, quindi lontani dal valore di riferimento, esempio – 30 dB o – 20 dB, la risposta del segnale non si presenta come da caratteristiche tecniche definite dal costruttore, esempio invece che avere una risposta in frequenza lineare ha qualche perdita nelle alte frequenze.

Nei meter digitali ( fig 2 ) lo 0 dB è posto come riferimento per il massimo della tensione sopportabile prima della distorsione, questo perchè in digitale si hanno onde quadre che non presentano dinamica e valori RMS, per cui anche solo una tensione di 0,1 dB in più crea distorsione.

fig. 2 level_meter_horizontal.gif

Idealmente che sia analogico o digitale per ottenere un segnale ideale e pulito che sfrutti a pieno le potenzialità del circuito, il livello del segnale di ingresso ed uscita dovrebbe essere sempre a 0 dB, vedremo poi in future spiegazioni come questo sia impossibile dipendente dalla dinamica del segnale in ingresso ai componenti analogici od ai convertitori A/D che si ripercuote poi ai livelli del segnale in uscita e dipendente anche dalle tecniche di registrazione e mixaggio utilizzate.

Di seguito un esempio dei riferimenti per i livelli di segnale audio analogico nei due standard compreso consumer e pro non rientranti nelle due società menzionate.

levels_004.jpg

La prima barra identifica lo standard EBU in cui il valore di tensione in uscita dalle apparecchiature audio a livello di linea per 0 dB è di + 6 dBu a volte anche + 8 dB che rappresenta un valore di tensione pari a 2,24 V ( a seconda se la resistenza di uscita è a 50 ohm o meno ).

La seconda barra è lo standard SMPTE in cui il valore di tensione in uscita dalle apparecchiature audio a livello di linea per 0 dB è di + 4 dBu che rappresenta un valore di tensione pari a 1,224 V ( in cui si considera una resistenza all’uscita di 50 ohm ).

La terza barra è il valore di tensione a 0,775 V nato precedentemente agli standard EBU ed SMPTE.

La barra 4 e 5 rappresentano invece lo standard utilizzato a livello consumer.

Qui di seguito c’è una tabella riassuntiva sulle tipologie di Decibel e relativo utilizzo nelle connessioni analogiche:

2016-01-06_01-21-34.png

Conoscere questi valori è fondamentale per interfacciare i vari dispositivi, in quanto che una linea a + 4 dBu in uscita non dovrebbe mai essere collegata ad un ingresso a – 10 dBV per non sovradimensionare il circuito e rischiare delle distorsioni oltre che di base una perdita di qualità del segnale.

Per fare qualche esempio:

Una linea a + 4 dBu come può essere il valore delle linee a livello professionale ( generalmente viaggia su XLR o Jack ) ad esempio la main out del mixer audio andrà collegata ad un ingresso a + 4 dBu negli amplificatori di potenza che alimentano i diffusori audio.

Una linea a – 10 dBV come può essere l’uscita audio di un lettore CD ( generalmente viaggia su RCA o MiniJack ) va collegata ad una linea di ingresso a – 10 dBV, ad esempio gli input RCA presenti in alcuni mixer audio.

Qui di seguito c è una tabella riassuntiva sulle tipologie di Decibel e relativo utilizzo nelle connessioni digitali:

2016-01-06_11-09-02.png

Di seguito un esempio dei riferimenti per i livelli di segnale audio digitale nei due standard compreso consumer e pro non rientranti in queste due società.

1042523-Digital Headroom Levels Chart

La prima barra rappresenta la scala comunemente utilizzata nei meter digitali con riferimento massimo 0 dBFS.

La seconda barra mostra lo standard SMPTE in cui si nota come + 24 dBu sia il massimo valore di tensione portabile.

La terza barra mostra lo standard EBU in cui si nota come + 18 dBu sia il massimo valore di tensione sopportabile.

La quarta, quinta e sesta barra mostrano come alcuni produttori ( es. RME ) non si appoggiano a standard esistenti ma ne creano uno proprio per il collegamento delle proprie apparecchiature e limitare cosi il consumatore all’acquisto e alla fidelizzazione.

Per fare qualche esempio:

Le apparecchiature digitali sono nate e costruite per lavorare al meglio interfacciate tra di loro, infatti quando si collegano apparecchiature audio digitali secondo lo standard di collegamento seguito in modo che possano essere sincronizzate e possano leggere e trasmettere il segnale audio ( vedremo poi gli standard di trasmissione dati audio più utilizzati a livello professionale in altre argomentazioni ) il livello della tensione può essere tranquillamente portato a 0 dBFS in quanto i circuiti sono costruiti per leggere e trasmettere questi valori di tensione ( in realtà visto le dinamiche in gioco è sempre bene avere dei picchi di segnale al massimo a – 6 dBFS o – 5 dBFS, ancora più se si parla di file audio da convertire, in quanto la conversione soprattutto se verso campionamenti e quantizzazioni più basse porta sempre ad un innalzamento del livello del segnale ( +1 / +2 dB ), lo stessa cosa vale se si riproduce un file audio attraverso convertitori D/A o lettori con algoritmi di scarsa qualità ( come gli mp3 player ).

n.b. In generale è sempre bene rimanere qualche punto sotto lo 0 dBFS in quanto qualsiasi tipo di meter anche il più veloce ed istantaneo come il Peak Meter o il Digital Meter ha sempre un valore medio ed una tolleranza di visualizzazione, per cui può capitare la coincidenza che il segnale sia in distorsione a + 1 dB ma il meter lo visualizza ad esempio a – 1 dB o 0 dB.

Quando si collegano apparecchiature che presentano meter digitali ( come ormai tutti i moderni mixer digitali ) con apparecchiature analogiche è bene fare attenzione per non portare il circuito di ingresso od uscita analogica a valori di distorsione e conseguenti rotture. Se il meter digitale segue lo standard SMPTE dovremo inviare un valore di tensione massima al dispositivo analogico pari a – 24 dBFS che è lo 0 dBu con valori di tensione pari a 0,775 V o – 20 dBFS che è il + 4 dBu con valori di tensione pari a 1,224 V a seconda del riferimento che utilizza il dispositivo di ingresso. Se segue lo standard EBU dovremo inviare un valore di tensione massima pari a – 18 dBFS che è lo 0 dBu con tensione di 0,775 V o – 14 dBFS che è il + 4 dBu con tensione di 1,223 V.

n.b. Lo 0 dBu in dominio digitale rappresenta la tensione di 0,775 V e non 1,223 V questo perchè lo standard è stato creato prima dell’introduzione del valore di 50 Ohm per la resistenza di uscita a livello di linea.

Fortunatamente i più moderni mixer digitali segnalano il superamento del valore massimo con led di colore rosso o arancio ( fig. 3 ).

fig. 3 2016-01-06_00-52-41

n.b. In alcuni casi può capitare che seppur invio all’amplificatore di potenza un valore di tensione pari ad esempio a – 10 dBFS questo non vada in distorsione, il motivo principale sta nelle perdite che ha il segnale nel percorso di attraversamento del cavo e nelle resistenze di ingresso del circuito dell’amplificatore. E’ possibile alzare il valore di tensione fino a poco prima dell’innesco dei valori di distorsione dei dispositivi di ingresso, considerando le dinamiche in gioco quindi come vedremo in successive argomentazione il loudness del programma musicale che si va a trasmettere.

Mentre a livello digitale se l’invio di un segnale digitale esempio a – 3 dBFS porta in distorsione l’ingresso digitale del dispositivo ad esso collegato è probabile che il dispositivo che riceve segnale segue uno standard differente, esempio l’output è su standard SMPTE mentre l’input è su standard EBU per cui uno 0 dBFS SMPTE manda in distorsione un ingresso EBU. Altre volte invece soprattutto se invio segnali prossimi allo 0 dBFS può essere il circuito di ingresso che sovracampiona o quantizza il segnale entrante producendo a volte un innalzamento della gamma dinamica e dei valori di tensione producendo valori di distorsione. Quest’ultimo fenomeno è molto presente quando si convertono file audio soprattutto in file audio compressi.

 

Altro su Decibel e Meter:

Decibel e Meter – II ( Meter Analogici )

Decibel e Meter – III ( Meter Digitali e Software )

Decibel e Meter – IV ( Normalizzazione e LUFS Meter )

Decibel e Meter – V ( I Meter nelle Apparecchiature Audio )

Decibel e Meter – VI ( Loudness Manager )

 

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