Equalizzatori – I

Premessa

L’equalizzatore è un tipo di processore audio che, come dice la parola stessa, ha la funzione di modificare equamente il suono, nel dominio elettrico, che sia analogico o digitale, anche se come vedremo in un contesto reale l’equalità delle modifiche è condizionata da molteplici fattori di distorsione.

L’equalizzatore lavora nel dominio delle frequenze e ne regola l’ampiezza, quindi con esso è possibile variare l’intensità energetica delle varie frequenze audio, in attenuazione ed in amplificazione. Per questo motivo un buon equalizzatore deve essere costruito con ottimi componenti amplificatori ed ottimi componenti attenuatori, che non sono gli amplificatori di segnale audio microfonico come quelli visti in articolo Pre-Amplificatori, ma come vedremo sono costruiti con apposite circuiterie dedicate e per lavorare a livello di linea. In contesto reale come vedremo un equalizzatore lavora in certi casi anche nel dominio della fase, alterando la risposta di fase in base alle impostazioni date. Questa alterazione di fase può essere voluta al fine di creare particolari curve di equalizzazione o non voluta, ed in questo caso possono riscontrarsi delle problematiche.

In senso pratico l’equalizzatore viene utilizzato per correggere la risposta in frequenza del suono, in quanto che come ampiamente visto anche in altri articoli di questo blog, un qualsiasi componente audio, dal microfono, ai vari processori di segnale, ma anche ai mixer audio, amplificatori di potenza e sistemi di diffusione sonora, non essendo componenti ideali, tendono a colorare il suono che gli passa attraverso e che viene da loro elaborato, tendono a distorcere la risposta in frequenza dello strumento musicale o suono reale, ripreso e trasdotto in dominio elettrico (è proprio nella prima fase della catena audio quindi trasduzione del segnale acustico in elettrico attraverso Microfoni, pick up, ecc, dove avviene la maggiore perdita di trasparenza, con la colorazione del suono ma anche della sua dinamica, per questo è molto importante la corretta scelta dei trasduttori, come vedremo anche in altre argomentazioni, ma anche gli stessi strumenti che generano suoni già in dominio elettrico come tastiere, suoni campionati, batterie elettroniche, ecc… hanno le componenti che generano ed elaborano il suono non ideali e quindi anche loro colorano il timbro e ne modificano le caratteristiche dinamiche).

Attraverso l’equalizzatore, posizionato correttamente all’interno della catena audio, secondo le proprie capacità uditive nel percepire i suoni, le proprie esperienze e cultura in ambiente audio e nello specifico nell’utilizzo di questi processori, il proprio sentimento soggettivo e a volte anche aiutati da alcuni software di analisi spettrale, come vedremo più avanti, è possibile correggere a piacimento il suono che gli passa attraverso, cercando di rivitalizzare la sorgente ripresa, od una registrazione, cercando di rendere il suono più reale e naturale possibile, oppure per scopi creativi.

n.b. E’ importante sapere che l’equalizzatore, come tutti gli altri componenti audio, non fa miracoli, per cui una catena audio di bassa qualità, anche con l’utilizzo del migliore equalizzatore e del migliore tecnico audio possibile, non porterà un suono di qualità, ma solo un po meglio, in quanto che le variabili di un suono ripreso o registrato male sono infinite, e non solo legate al timbro sonoro (in questo caso risposta in frequenza), in cui ogni singola frequenza viene distorta dal componente audio utilizzato prima dell’equalizzatore nella catena audio) in quanto componente reale e non ideale), quindi impossibile da percepire ad orecchio, ma difficilmente anche analizzabile senza distorsioni di analisi da un qualsiasi analizzatore di spettro, ed impossibile da correggere cosi finemente da un qualsiasi equalizzatore senza introdurre ulteriori distorsioni. Come vedremo un equalizzatore non è in grado di lavorare in trasparenza (senza introdurre distorsioni sempre più marcate, tanto più la banda di frequenze in lavoro è selettiva e si richiede un processamento aggressivo), ma anche dinamica, distorsioni, variazioni di fase, ecc…

E’ comunque un processore che se utilizzato bene consente di ottenere risultati di alto livello qualitativo dal punto di vista del timbro sonoro, quindi non solo risposta in frequenza ma anche dinamica, fino a stravolgere completamente un suono o ricreare sonorità ricercate.

Per utilizzare un equalizzatore correttamente è necessario avere una profonda conoscenza dello strumento che si sta utilizzando (e come vedremo equalizzatori differenti offrono soluzioni differenti, sia in termini di lavoro nella fase di processamento che come interfacciamento con altre apparecchiature), è necessario avere una profonda conoscenza tecnica che impareremo ad avere in questa serie di articoli, e nota fondamentale, una grande esperienza pratica sul campo. Attenzione perchè l’equalizzatore è un’arma a doppio taglio, come anche per i processori di dinamica che vedremo in altre argomentazioni, l’equalizzatore se utilizzato malamente, fa più danni che benefici.

n.b. Vedremo poi come il posizionamento dell’equalizzatore all’interno della catena audio è molto vario e fa dipendere sonorità differenti, questo perchè la distorsione della risposta in frequenza di un suono avviene sia prima che dopo lo stadio di equalizzazione, ad esempio lo stadio finale di amplificazione e la diffusione sonora è un elemento chiave nella fase di distorsione del suono non controllabile dallo strumento equalizzatore. Per questo è come sempre importante scegliere amplificatori finali e sistemi di diffusione sonora (cavi audio compresi), con risposta in frequenza più lineare e trasparente possibile.

Quando parleremo di Crossover Passivo, vedremo come questo componente, che si trova all’interno dei diffusori acustici, oltre ad avere determinate funzioni, viene spesso utilizzato anche come ottimizzatore della risposta in frequenza, quindi può essere considerato una sorta di equalizzatore di stadio finale, dove il normale equalizzatore utilizzato per gestire e lavorare sulla risposta in frequenza non può arrivare. Ma anche gli stessi magneti, bobine e componenti vari che compongono un altoparlante può essere considerato un equalizzatore passivo, in quanto che viene studiato e costruito per offrire la più lineare e trasparente risposta in frequenza e dinamica. La stessa cosa vale per un qualsiasi componente audio che non sia espressamente un processore di equalizzazione come quelli che vedremo, qualsiasi hardware o software è costruito per offrire le migliori prestazioni dal punto di vista tonale (risposta in frequenza), ma anche dinamico ecc.. ma questo lo vedremo in altre argomentazioni. Anche alcuni sistemi di riduzione del rumore come visto in articoli Noise Reduction utilizzano dei processori equalizzatori.

L’equalizzatore è un tipo di processore non lineare, questo perchè l’incremento od attenuazione del livello sonoro può essere variabile in base ai parametri definiti dall’utente e non segue una precisa linea retta.

n.b. Qualsiasi processore audio si utilizzi e quindi anche un equalizzatore, è molto importante non esporlo in ambienti ad alta umidità, pioggia, sbalzi di temperatura (generalmente nel manuale è indicato il range di temperatura consigliato). Non è consigliato lavorare con il processore rimuovendo la cover, onde evitare shock elettrici, ingresso di polveri e altri agenti chimici dannosi, non chè lo si espone a maggiori interferenze esterne. E’ inoltre sconsigliato l’utilizzo in ambienti con forti campi magnetici, causa riduzione dinamica complessiva.

Cenni Storici

I primi equalizzatori risalgono agli anni 30′, erano elettrodinamici, quindi con componenti passivi (resistenze, induttori, capacitori, ecc..) ed erano integrati insieme al dispositivo audio (fonografo, grammofono, registratore analogico, ecc..), e soprattutto erano pre-tarati dal costruttore, quindi non modificabili manualmente da qualsiasi utilizzatore, (la professione del tecnico audio è cominciata a nascere e cresce attorno agli anni 50′).

Il passaggio dal cinema muto a quello sonoro ha aperto la strada alla nascita degli equalizzatori variabili (ad uso professionale), questo consentiva all’operatore audio di poter modificare il timbro sonoro della registrazione, se pur con pochi e semplici parametri, ma abbastanza per migliorare la povera qualità audio registrata e diffusa.

John Volkman fu probabilmente il primo inventore dell’equalizzatore variabile (con fader a scorrimento) ed utilizzabile da un utente durante la riproduzione o registrazione di un segnale audio. Era un equalizzatore a due bande (vedremo poi di che si tratta). Questo equalizzatore si chiama Langevin Model EQ-251A (fig. 1), le due bande lavoravano su frequenze fisse, una in bassa e una in media, cosi da poter migliorare la risposta in frequenza del parlato.

Fig. 1

Questo equalizzatore aveva 15 posizioni (tali da ottenere un boost di 12 dB ed un attenuazione di 16 dB), selezionabili facendo scorrere il fader.

Seguirono poi evoluzioni sempre più qualitative e con più bande.

Il primo equalizzatore commerciale, quindi utilizzabile anche dal consumatore finale per migliorare l’audio di riproduzione nell’ambiente in cui si trovava ad ascoltare fu il Cinema Engineering 7080 Graphic Equalizer (fig. 2 – 3) alla fine degli anni 30′, questo equalizzatore fu anche il primo equalizzatore grafico, aveva 6 bande e la possibilità di effettuare correzioni in boost e cut di 8 dB.

Fig. 2

Lo sviluppo dell’equalizzatore grafico negli anni avvenire fu derivato soprattutto dal fatto che gli ingegneri del suono si sentivano limitati dal fatto che questo equalizzatore avesse dei vincoli sulla scelta della frequenza e banda, in quanto fissa.

Nel 1967 Saul Walker introdusse l’equalizzatore API 550A (fig. 3).

Fig. 3

In questo equalizzatore la larghezza di banda è alterata rispetto alla quantità di segnale in amplificazione o attenuazione, quindi ad esempio meno si amplifica e più frequenze rientrano nella banda amplificata, al contrario più si amplifica e più preciso è il processamento nell’interno della banda di frequenze desiderata, come vedremo quando parleremo di equalizzatori a Q proporzionale. Era possibile selezionare la frequenza desiderata tramite un selettore rotativo su due bande (alti e medi), e poi decidere se amplificare o attenuare la banda di frequenze tramite il potenziometro (+12 / -12 db), (fu il primo equalizzatore analogico con design come oggi conosciamo comunemente essere costruiti gli equalizzatori).

All’inizio degli anni 50′ C. Paul Boner venne chiamato da un commerciante di impianti audio a correggere l’acustica di una sala in cui il suono era molto sgradevole, condizionato dalle molteplici riflessioni e risonanze ambientali, tutto questo a causa del committente a cui era stato installato che non voleva pagare l’acquisto dell’impianto per via della scarsa qualità percepita. Boner realizzo cosi un equalizzatore passivo con induttori, in grado di correggere l’equalizzazione dell’impianto in base alla risposta della sala, questo fu il primo equalizzatore specificamente costruito per correggere l’equalizzazione degli impianti audio, nello specifico perchè era costruito con filtri ad elevato Q, quindi come vedremo con campanatura elevata (molto precisi), più precisi di quelli visti precedentemente e degli equalizzatori ad 1/3 d’ottava che vedremo sempre più avanti. Questa precisione consentiva di controllare più finemente le varie risonanze ambientali ed eventuali feedback.

Questo equalizzatore andava connesso fra l’uscita di pre-amplificazione e l’ingresso del finale di potenza, appositamente tarati e fissi. Per cui andava tarato nella sala in cui veniva installato e non a priori secondo la strumentazione utilizzata.

Su questa base all’inizio degli anni 70′ Boner fece costruire filtri a induzione variabili “multi tapped inductor”, non altro che filtri con campanatura variabile, cosi da poter gestire il giusto e preciso quantitativo di banda di frequenze da controllare. In pratica erano i primi equalizzatori parametrici (fig. 4).

Fig. 4

Ognuno di questi filtri disponeva di 7 valori, che accoppiati ai giusti condensatori permettevano di tarare il filtro esattamente sulla frequenza prescelta.

A titolo informativo l’installazione di questo tipo di equalizzatore si procedeva inviando un rumore bianco o rosa all’interno dell’ambiente (attraverso le sorgenti sonore da tarare), e dopo aver analizzato e fatto i giusti calcoli, si assemblavano sul posto i diversi filtri che erano necessari per correggere le frequenze di risonanza o amplificare quelle mancanti. Dovendo tarare i filtri per tentativi provando frequenza per frequenza, utilizzando una tabella comparativa dei rilievi fonometrici eseguiti prima e dopo l’inserimento del filtro, facendo i dovuti calcoli matematici anche attraverso l’utilizzo di un regolo e lavorare di saldatore per impostare la frequenza esatta del filtro, era un processo che poteva impiegare anche 2 settimane.

Passati gli anni 60′ e grazie all’avvento e sviluppo dell’elettronica ci fu un grande sviluppo non solo di evoluzione e commercializzazione degli equalizzatori (come quelli che vedremo), ma di tutto l’ambiente audio.

Un esempio evolutivo dell’equalizzatore di Boner è quello della Siemens 75-15 (fig. 5), realizzato intorno agli anni 60′, prima dello sviluppo dell’equalizzatore di Boner visto precedentemente, quindi già un passo avanti.

Fig. 5

Sono filtri RC (che vedremo più avanti), realizzato con la presenza di component discreti e trasformatori per migliorare il trasferimento di carico e minimizzare rumori nelle circuiterie di ingresso ed uscita. Presenta 4 bande con la possibilità di selezionare la modalità di funzionamento per ogni banda (un po come nei più moderni equalizzatori analogici).

Nel 1971 Daniel Flickinger inventa il primo equalizzatore sintonizzabile commerciale. Utilizzava un circuito “sweepable eq”, che consentiva la seleziona arbitraria di frequenze in tre bande sovrapposte (quindi non più selezione fissa di frequenze prestabilite, ma un movimento rotativo da inizio scala a fondo scala in cui una selezione arbitraria di frequenze poteva essere selezionata, ad esempio potevi selezionare anche 653 Hz o 1013 Hz ecc, erano in ogni caso indicate alcune frequenze di riferimento (fig. 6 una versione moderna). Questa era un’evoluzione dell’API 550A ed è la struttura di equalizzazione che si avvicina di più a come funzionano ad oggi i moderni equalizzatori semi-parametri o quasi-parametrici analogici che si trovano sulle console di mixaggio ed Outboard. In pratica generalmente, come vedremo, frequenze alte e basse all’interno di Mixer Audio analogici, sono quasi sempre fisse e gestite da una circuiteria Shelving, mentre le medie sono gestibili attraverso un’ampia gamma di frequenze (generalmente 150 Hz – 6 KHz), tramite Sweepable Eq. Gli equalizzatori sweepable vengono regolati utilizzando due controlli, uno che seleziona la frequenza e un altro che imposta la quantità di taglio (cut) o enfasi (boost).

Fig. 6

In realtà già nel 1966 Burgess Macneal e George Massenburg inventarono i primi equalizzatori sintonizzabili senza l’utilizzo di induttori, ma erano equalizzatori inseriti all’interno di una console di mixaggio proprietaria.

Poco più tardi Bob Meushaw, amico di Massenburg, costruì un equalizzatore a Q fisso a tre bande, regolabile in frequenza (un primo approccio agli equalizzatori Peaking).

Nel corso del tempo, grazie allo sviluppo tecnologico, dell’elettronica prima e del digitale poi, si sono definiti diversi standard costruttivi per i processori di frequenza (Equalizzatori), come quelli che vedremo.

Outboard e Inboard

Prima di cominciare ad analizzare le varie tipologie standard di equalizzatori è bene soffermarsi sul concetto di Outboard.

Per definizione ormai standardizzata si dicono Outboard tutti quei processori di segnale audio, equalizzatori compresi, esterni alla console di mixaggio, quindi i processori su Rack (es. fig. 7).

Fig. 7

Mentre se si trovano all’interno di un mixer audio, quindi saldati e collegati all’interno della stessa circuiteria, sono definiti Inboard (fig. 8).

Fig. 8

A livello pratico l’Outboard viene utile quando si ricercano differenti sonorità ed eventuali differenti funzionalità, rispetto alle caratteristiche che offre l’equalizzatore o processore Inboard (e non è detto per forza che debba essere un equalizzatore o processore di qualità superiore rispetto a quello Inboard).

Esistono poi moduli di equalizzatore da integrare nel proprio mixer audio (più che altro per mixer da studio analogici), (fig. 11), oppure compatibili con appositi rack esterni cosi da realizzare un proprio rack Outboard personalizzato (fig. 12), generalmente compatibili con un solo modello di mixer ed un solo rack Outboard (ormai gli equalizzatori Inboard per Rack Outboard sono standardizzati, quindi acquistandone uno è facilmente ritrovabile anche l’Outboard compatibile anche di diverse marche), utili soprattutto quando quello integrato subisce dei danni e malfunzionamenti ed è da sostituire o portare in manutenzione, senza dover sostituire o mandare in manutenzione tutto il mixer audio.

Fig. 11

Fig. 12

Possono esserci anche Inboard multicanale come quello di figura 13, così da avere già a disposizione una completa matrice ad un prezzo più vantaggioso che acquistarne uno per uno separatamente. Queste matrici spesso sono accompagnate da una circuiteria di uscita per la gestione dei livelli Main o Bus Out.

Fig. 13

Per quanto riguarda i Rack Outboard personalizzati come si vede anche da figura 12 – 14 – 15, possono essere molto customizzati, nel senso che come visto anche per i pre-amplificatori microfonici è possibile creare dei veri e propri mixer, inserendo un mix di pre-amplificatori, equalizzatori e processori dinamici, circuiti di uscita e molto altro.

Fig. 14

Fig. 15

Alcuni come quello di figura 16 sono semplici rack ad 1 unità a doppia scheda, in questo caso invece che essere montane e lavorare quindi in verticale si lavorerà in orizzontale. Questo processore offre anche la possibilità di variare la corrente di uscita, per alimentare dispositivi compatibili che ne richiedono differenti valori.

Fig. 16

In figura 17 un esempio di come questi slot lavorano e quali sono le funzioni date ai vari morsetti (pin) della scheda integrata e che rendono compatibile o meno il dispositivo con i vari modelli Inboard in commercio.

Fig. 17

Nella parte posteriore dell’Outboard si ritrovano tutte le connessioni già pre-configurate (e da qui viene la compatibilità o meno dell’Inboard), (fig 19), con connessioni bilanciate xlr, jack, d-sub, ecc.. E’ possibile comunque avere delle compatibilità con Inboard che non offrono la possibilità di gestire tutte le connessioni presenti nell’Outboard.

In più alcuni slot del rack Outboard possono essere riservati come nel caso di figura 18 alla circuiteria di Output, quindi necessario un Inboard Output se non pre-installato dal costruttore.

Fig. 18

Fig. 19

Ce ne sono anche di altre versioni in stile portabili (fig. 20 e 21).

Fig. 20

FIg. 21

Categorie di Equalizzatori

Vediamo ora come funziona un equalizzatore.

Esistono differenti tipologie di equalizzatori che possono essere divise in 4 macro categorie:

  • Equalizzatori Passivi (Analogici)
  • Equalizzatori Attivi (Analogici)
  • Equalizzatori Digitali
  • Equalizzatori Software

Qualsiasi tipologia di equalizzatore andremo che a vedere è ritrovabile sia in versione Analogica che Digitale o Software.

Filtri di Equalizzazione

E’ detto filtro di equalizzazione quella circuiteria elettrica passiva o attiva o digitale, in grado di selezionare (filtrare) una precisa banda di frequenze per poterla processare in modo indipendente da tutto il resto.

L’equalizzatore è composto da filtri e come vedremo non sono ideali ma in base alla tipologia costruttiva introduce più o meno livelli di distorsione tonale, dinamica e sfasamento.

I filtri di equalizzazione che vedremo sono con spiegazione a livello indicativo teorico, nella realtà questi stessi filtri che siano analogici o digitali possono avere andamenti leggermente differenti in base al progetto costruttivo del filtro stesso e quindi anche delle sue caratteristiche tecniche. Ad esempio può avere una maggiore o minore risonanza e Ripple lungo la banda filtrata, può avere pendenze di taglio anch’esse con la presenza di più o meno Ripple, un Knee di taglio più o meno pronunciato nei filtri Cut Out e molto altro.

Che sia analogico o digitale il Ripple, quindi l’ondulazione dell’onda nelle fasi di taglio ma come vedremo anche nella banda di intersezione tra i vari filtri è sempre presente nei filtri equalizzatori, chi più o chi meno, non esiste un filtro trasparente al 100 % (ideale), ma come vedremo gli equalizzatori Software ci vanno vicino.

Un equalizzatore di qualità deve poter lavorare bene in tutte le bande di frequenza per cui sono stati creati e selezionati i vari filtri, non è raro trovare equalizzatori che lavorano meglio in bassa frequenza, piuttosto che in alta, ecc…

Filtri Simmetrici

Un filtro è definito simmetrico (fig. 22) quando lavora solo in un senso (Boost o Cut) e la differenza tra un valore positivo e lo stesso in negativo da 0 dB.

Fig. 22

Filtri Asimmetrici

Un filtro è definito asimmetrico (fig. 23) quando lavora in una direzione (Boost o Cut) ma la differenza tra un valore positivo e lo stesso in negativo non porta a 0 dB, ma alla creazione di una nuova curva di equalizzazione (che analizzeremo più avanti).

Fig. 23

Note

Come vedremo più avanti esistono anche Potenziometri Asimmetrici, nel senso che generalmente possono attenuare più di quanto possono amplificare, al contrario per quelli Simmetrici che hanno stesso valore di guadagno sia in Boost che Cut.

Viene spesso utilizzato il termine Filter Desgin, non altro che ad indicare il disegno di progetto del filtro.

Equalizzatori Analogici Passivi

I migliori equalizzatori passivi ma anche attivi, escludono l’utilizzo di capacitori, ed ottengono la stessa funzione attraverso induttori, resistori, circuiti di impedenza e componenti elettronici. Questo garantisce un ciclo di vita superiore e un più basso rumore di fondo.

Un equalizzatore passivo è formato come anche già accennato, con sole componenti elettriche passive, e la presenza di più o meno componenti dipende dal metodo costruttivo (capacitori, induttori, resistenze, impedenze, ecc..).

Un equalizzatore passivo non necessita di alimentazione e rispetto a quelli attivi ha un valore di impedenza di ingresso molto più elevato, questo come già visto in altri articoli incide sul corretto prelievo del segnale audio in ingresso e spesso queste sue caratteristiche vengono sfruttate come primo stadio di equalizzazione.

n.b. Generalmente l’impedenza di ingresso di un processore come appunto l’equalizzatore, è data dal bilanciatore di ingresso se presente o circuiteria di linea non bilanciata, e/o eventualmente dal PAD se inserito ed in base a dove è posizionato il suo intervento (ricordo che il rapporto di impedenza e quindi il prelievo del segnale audio è dato dal componente/circuito che riceve direttamente il segnale elettrico inviato dal dispositivo di Output, quindi quello direttamente connesso). Il filtro passivo è generalmente posto subito prima della circuiteria di equalizzazione attiva e subito dopo la circuiteria di ingresso + PAD, ed ha quindi il compito di prelevare il segnale audio in uscita dalla circuiteria di ingresso ed inviarlo all’equalizzatore. Se il filtro passivo è disabilitato, la sua impedenza di ingresso è vista come nulla, per cui avrà valore quella della circuiteria di ingresso del successivo stadio di equalizzazione, se attivo invece avrà il suo valore e spesso può risultare utile proprio per avere un prelievo del segnale audio più trasparente, il problema è poi quello di introdurre a sua volta distorsioni e colorazioni, quindi quanto detto ha valore per circuiterie di assoluta qualità e più trasparenza possibile (fig. 24).

Fig. 24

n.b. Questo discorso apre anche un’altra questione per cui un processore Outboard presenta sempre una connessione bilanciata, questo per minimizzare le interferenze e distorsioni caricate dal cavo utilizzato per la connessione di Input e Output tra pre-amplificatore microfonico ed equalizzatore e/o mixer e/o processore dinamico, come vedremo meglio più avanti. Mentre equalizzatori Inboard hanno completa circuiteria sbilanciata, in quanto che alloggiati all’interno di Mixer Audio, e questa mancanza di un componente aggiuntivo come il bilanciatore incide qualitativamente sul segnale audio, che teoricamente per gli Inboard è superiore.

Sia gli equalizzatori passivi (soprattutto) che quelli attivi hanno un problema comune, che è quello della scarsa linearità della risposta in frequenza data dalla non idealità dei componenti utilizzati, i quali creano ripple su tutta la banda di frequenze, dipendente anche dalla modalità di lavoro del filtro stesso. Questo è dovuto principalmente al fatto che presentano valori di impedenza differenti in base alla frequenza presa in esame, e questo come vedremo, incide su tutte le prestazioni del filtro, compreso il fatto di variarne la fase.

Per ovviare a questo problema si introduce nel circuito un componente rovesciato di fase che faccia vedere al segnale una costante impedenza lineare al suo passaggio. In quelli passivi si sfrutta un induttore, mentre in quelli attivi un amplificatore BJT o circuito integrato. Questo processo è anche chiamato Negative Feedback o Retroazione (fig. 25).

Fig. 25

Questo consentirà di migliorare la linearità della risposta in frequenza, ma senza risolverne il problema al 100 %, e questa è la principale differenza tra equalizzatori analogici e digitali, in cui invece in quelli digitali la risposta in frequenza è molto più lineare. Anzi per un vantaggio che si ottiene, migliorando anche la stabilità di fase, se ne perdono altri, essendo un componente reale in più introdotto nel circuito ci sarà un calo della dinamica con l’introduzione di ulteriori distorsioni e rumori di fondo.

Il problema della fase se pur migliorato tramite il Negative Feedback è comune sia per gli equalizzatori passivi che attivi che digitali come vedremo non a fase lineare. Questo in considerazione di filtri passivi ed attivi è dato dal fatto di avere differenti rapporti tensione/corrente all’interno dei vari componenti passivi ed attivi di cui è composto l’equalizzatore, ed ogni componente ha il suo, generalmente ad esempio il condensatore tende ad avere una fase opposta a quella dell’induttore, e per questo i migliori equalizzatori passivi utilizzano solo induttori, sia per il minore rumore generato invece dai condensatori, sia per mantenere una più bassa inversione di fase.

Il problema della fase come vedremo è tanto maggiore tanto più il processo di amplificazione ed attenuazione è aggressivo e tanto più elevata è la pendenza del filtro, oltre che dall’incrocio di più filtri facendo coincidere differenti raporti di fase.

Anche per minimizzare questo problema sono introdotte apposite circuiterie che consentono di migliorare la stabilità di fase, ma sempre a scapito dell’introduzione di rumore ed in certi casi meno stabilità nella linearità della risposta in frequenza.

Filtro Cut Out

Il Filtro Cut Out è un tipo di filtro passivo e può avere varie circuiterie che ne fanno dipendere un diverso utilizzo. Questo filtro lavora solo in attenuazione (Cut) e per questo chiamato Cut Out. E’ realizzato secondo il principio dei circuiti risonanti serie e parallelo (che per maggiori approfondimenti rimando a manuali di elettrotecnica).

Il filtro Cut Out a livello analogico non è mai Sweepable ma con frequenza di taglio fissa, generalmente a 80 – 100 Hz (per il passa-alto) e 10 KHz – 12 KHz (per il passa-basso), che sono generalmente le frequenze standard per ridurre risonanze ed armoniche in bassa ed alta frequenza, oltre che tagliare bande che per lo più non sono riproducibili dagli strumenti musicali e quindi con un contributo energetico minimo ed a volte di solo rumore. Oppure selezionabili ma sempre nell’intorno di questi valori.

In contesto digitale e software invece la frequenza di taglio è Sweepable, quindi selezionabile arbitrariamente (es. 82 – 88 – 102 Hz, ecc..).

I filtri Cut Out più utilizzati sono:

  • Low Cut (passa-alto, abbreviato HPF)
  • High Cut (passa-basso, abbreviato LPF)
  • Band Pass (passa-banda, abbreviato BPF)
  • Band Reject o Band Stop (filtro elimina banda, abbreviato BRF o BSF)
  • Notch Filter (filtro di taglio selettivo, abbreviato NCF)

Low Cut Filter (HPF)

Il filtro Low Cut o High Pass Filter, ha il compito di eliminare (tagliare) tutta la banda di frequenze che si trova al di sotto della frequenza cosiddetta di taglio definita. Se ad esempio il Low Cut è impostato con frequenza di taglio ad 80 Hz, considerando la banda audio udibile dall’uomo (vedi argomento Psicoacustica), la banda di frequenze da 20 Hz ad 80 Hz verrà eliminata. Utile ad esempio per eliminare risonanze e rientri in bassa frequenza, limitare la banda utile nel processamento di strumenti musicali.

Esempio grafico del filtro Low Cut (fig. 26).

Fig. 26

Esempio di circuito passivo Low Cut che può essere realizzato con condensatori, circuito RC, con induttori, circuito LC (più qualitativo), generalmente utilizzati per lavorare su di una banda entro i 100 KHz, circuito LCR, generalmente utilizzato per lavorare su di una banda oltre i 100 KHz (fig. 27).

Fig. 27

High Cut Filter (LPF)

Il filtro High Cut o Low Pass Filter è l’opposto del Low Cut, ed in questo caso elimina tutta la banda di frequenze che si trova sopra la frequenza di taglio definita. Utile ad esempio per eliminare armoniche, aria e risonanze in alte frequenze non desiderate, riduzione del rumore di fondo, limitare la banda utile nel processamento di strumenti musicali.

Esempio grafico del filtro High Cut (fig. 28).

Fig. 28

Esempio di circuito passivo High Cut che può essere realizzato sia con l’utilizzo di condensatori, circuito RC, che con l’utilizzo di induttori, circuito RL (più qualitativo), o misto, circuito RCL (fig. 29), anche in questo caso i più semplici circuiti RC ed RL lavorano bene su di una banda di frequenze entro i 100 KHz, mentre per più ampie bande si utilizzato i circuiti RCL.

Fig. 29

Band Pass Filter (BPF)

Il Filtro Band Pass o Passa Banda è un filtro che elimina tutte le frequenze al di fuori della banda impostata, utile per eliminare sia la parte di frequenze basse che alte con un solo filtro, oppure selezionare un preciso range di frequenze su cui lavorare, limitando ad esempio la banda utile nel processamento di strumenti musicali. Le frequenze di taglio di un Band Pass Filter sono dette Frequenza di Taglio Superiore (quella oltre la quale si elimina la parte di audio che rimane sopra), e Frequenza di Taglio Inferiore (quella oltre la quale si elimina la parte di audio che rimane sotto).

Esempio grafico del filtro Band Pass (fig. 30).

Fig. 30

Esempio di circuito Band Pass, in cui anche in questo caso può essere realizzato con condensatore e/o induttore (fig. 31).

Fig. 31

Come si può facilmente intuire un filtro passa-banda non è altro che la somma dei filtri passa-basso e passa-alto, così da poter definire un preciso range di frequenze su cui lavorare.

Band Reject o Band Stop Filter (BRF – BSF)

Il Band Reject Filter non è altro che il filtro passa-banda invertito (il Low pass che lavora al posto del High Pass e viceversa), quindi utilizzato per lavorare solo al di fuori della banda audio selezionata, eliminando tutto ciò che rimane dentro. Avendo una banda creata con un doppio filtro anche in questo caso si parla di Frequenza di Taglio Superiore e Frequenza di Taglio Inferiore, solo in senso opposto.

In figura 32 un esempio grafico del filtro Band Reject.

Fig. 32

In figura 33 un esempio di circuito Band Reject.

Fig. 33

Notch Filter (NCF)

Il Notch Filter non è altro che un Band Reject Filter ma utilizzato in modo molto più selettivo nell’interno di una frequenza di taglio.

Mentre il Band Reject considera due frequenze diverse per il filtro passa-basso e passa-alto, il Notch Filter ne utilizza solo una, che in questo caso è detta frequenza centrale, in quanto univoca e gestisce sia la parte superiore che quella inferiore ad essa, è la stessa per entrambi i filtri.

In figura 34 un esempio grafico del Notch Filter.

Fig. 34

Il Notch Filter è molto utile per lavorare precisamente su risonanze e feedback.

In figura 35 un esempio di circuito Notch Filter.

Fig. 35

Qualsiasi filtro si consideri, come detto più volte, non è un componente ideale, se fosse ideale la pendenza di taglio sarebbe precisa ed infinita, senza che generi rumore, distorsioni e sfasamenti. Mentre nella realtà più si cerca di rendere ripida la pendenza del filtro e più fenomeni di distorsione si generano. Si vanno ad introdurre sempre più ondulazioni (ripple) sia sulla banda utile che sulla banda di frequenze eliminata (in realtà attenuata fino ai più bassi livelli in cui si trova il rumore intrinseco del componente stesso) e sempre un maggiore sfasamento (fig. 36, in questo caso è un High Cut Filter, quindi in opposto al Low Cut taglia tutta la parte sopra la frequenza di taglio definita).

Fig. 36

Per questo la pendenza di un filtro analogico è sempre realizzata morbida (6 – 12 dB/Ottava), ma in certi casi è possibile anche trovarne di più ripide 24 dB/Ottava, utile soprattutto per filtrare a più basse frequenze o più alte dove la percezione delle distorsioni e dello sfasamento è meno sensibile.

Analizzando la figura 37, nell’utilizzo di un filtro Cut Out ma anche di un qualsiasi altro filtro che analizzeremo, questo divide la banda di frequenze in due settori, Passband e Stopband.

Fig. 37

La Passband è la banda di frequenze utile, quindi quella che vogliamo tenere, definita anche Bandwith, mentre la Stopband o Transition Band è la banda di frequenze che vogliamo eliminare, quindi quella che teoricamente non dovrebbe presentare alcun suono. Transition Band perchè in contesto reale è la banda in cui effettivamente il filtro va a lavorare nel suo stato di transizione tra un valore massimo e un valore di attenuazione minimo.

Con il termine Slope si indica il decadimento energetico del filtro nella fase di taglio, e più lo Slope è alto e più la pendenza di taglio è ripida.

In figura 38 un esempio grafico del Ripple che si crea nei filtri Cut Out, ed il confronto diretto con un filtro ideale. La Passband Ripple e la Stopband Ripple sono come anticipato le alterazioni energetiche (oscillazioni), che si vengono a creare nei filtri di taglio reali, e tanto più è pendente e tanto maggiori e ripetute in più piccoli step saranno.

Fig. 38

Un filtro analogico reale, pone sempre un relativo contributo energetico e quindi di fase (per via dello sfasamento) anche durante la fase di taglio (avendo pendenza), e questo inciderà ad esempio su di una meno precisa equalizzazione, su maggiori problemi di fase ed ampiezza se si utilizzano come vedremo più filtri che lavorano su frequenze coincidenti.

Questa pendenza come anticipato può in certi casi essere fissa o regolabile per step in contesto analogico, o Sweepable in contesto digitale e software. Quando la pendenza di taglio di un filtro è regolabile, è spesso chiamato anche con il termine Slope Filter.

La pendenza di taglio di un filtro è misurata come anticipato in decibel su ottava (dB/Oct), quindi quanti dB di attenuazione ci sono al raddoppiare dell’ottava (vedi argomento Psicoacustica per chiarimento sulle Ottave).

Il punto di taglio, quindi la frequenza di taglio, in cui il suono cambia il suo andamento da lineare a pendente, è chiamato Knee (fig. 39) o ginocchio.

Fig. 39

I valori di riferimento che identificano la pendenza di un filtro sono chiamati ordini:

1° ordine = 6 dB/Oct.

2° ordine = 12 dB/Oct.

3° ordine = 18 dB/Oct.

4° ordine = 24 dB/Oct.

ecc….

Quindi ogni 6 dB di incremento del decadimento (che equivale ad un dimezzamento del livello di tensione), c’è un valore di ordine superiore. Quando si dice filtro del 2° ordine si parla di un filtro con decadimento di 12 dB/Oct.

La frequenza indicata nei filtri come frequenza di taglio, si trova in realtà già ad un determinato livello di attenuazione, questo è necessario affinchè il filtro abbia la corretta pendenza desiderata in considerazione della frequenza scelta.

Per fare un esempio, un filtro del 2° ordine con frequenza di taglio impostata a 1000 Hz avrà a questa frequenza un decadimento di già – 3dB.

In figura 40 una tabella comparativa tra l’andamento di attenuazione della pendenza di un filtro ideale ed uno reale in considerazione di un filtro del 2° ordine ad una frequenza di taglio di 1000 hz:

Fig. 40

Si nota come mentre nel filtro ideale l’attenuazione parte con precisione dalla frequenza di taglio stabilità (1000 Hz) in giu’, nel filtro reale la frequenza di taglio è già a – 3 dB, e questo è derivato dalla natura del filtro reale stesso, in cui l’interazione tra i vari componenti passivi genera come sempre elementi di distorsione e non permette un decadimento lineare secondo l’ordine definito, quanto più con la presenza di forti Ripple anche nella fase di taglio (pendenza), per cui si adottano soluzioni di questo tipo, che consentono di mantenere il decadimento più lineare possibile.

Sempre dal grafico di figura 40 si nota anche come l’attenuazione parta ben prima della frequenza di taglio definita, in questo caso 1 ottava prima con già – 1 dB a 500 Hz. Questo è molto importante perchè significa che andremo a processare il suono su di una banda molto più ampia di quella che potremmo pensare.

In un contesto pratico ad esempio impostando un filtro pass-alto (Low Cut) ad 80 Hz, se questo filtro è del 2° ordine devo sapere che in realtà la sua attenuazione comincia già nell’ottava superiore, quindi a 160 Hz con guadagno a – 1 dB, e ritrovando poi gli 80 Hz a – 3 dB, al contrario per filtri High Cut. Per questo ottengo un differente processamento del segnale audio.

n.b. La frequenza di taglio definita ormai come standard a – 3 dB, è realizzata portando i valori di reattanza e resistenza allo stesso livello, e quando questo si verifica l’attenuazione è del 70,7 % (- 3 dB) rispetto al livello del segnale di ingresso. Non è un valore scelto a caso, ma come spiegato anche in argomento Decibel e Meter, in considerazione di un segnale unitario per una sinusoide, il valore 0,707 è il valore medio RMS percepito dall’uomo, quindi – 3 dB è il valore energetico di attenuazione media in cui la nostra percezione comincia a percepire il grado di attenuazione.

Vedremo come a livello digitale e software spesso in aiuto ci vengono gli analizzatori di spettro e curve di equalizzazione, grazie a questi è possibile vedere la reale curva del filtro, cosi da impostarlo esattamente nel punto in cui lo si vuole ad esempio partire a – 1 dB da 80 Hz e quindi avere poi a – 3 dB i 40 Hz.

Se la pendenza del filtro risulta troppo leggera e non riesce ad eliminare correttamente tutte le informazioni sonore non volute è necessario come detto utilizzare filtri con ordine più elevato (se possibile).

n.b. A volte i processori equalizzatori ma come vedremo anche in altre argomentazioni, non solo possono essere equipaggiati con un filtro passa-banda 20 Hz – 20 KHz (o varianti), inserito perennemente e non regolabile dall’utente. Questo per limitare l’introduzione di frequenze sub armoniche ed ultrasoniche che potrebbero introdurre fenomeni risonanti e distorcenti nella banda audio udibile.

Sempre parlando di un contesto reale, per mantenere come detto una pendenza lineare e consentire allo stesso tempo un grado di pendenza più ripida cercando di generare meno distorsioni possibili, mantenendo come riferimento ormai standardizzato la frequenza di taglio a – 3 dB, aumentando l’ordine è necessario variare anche la frequenza a cui parte l’attenuazione.

In figura 41 un esempio grafico di come varia la pendenza del filtro considerando vari ordini e come l’attenuazione si avvicini sempre di più alla frequenza di taglio tanto più l’ordine è elevato.

Fig. 41

Questo è quindi indice di maggiore precisione del filtro stesso consentendo meno colorazione di una più ampia banda di frequenze, in cui ad esempio nel filtro di 1° ordine hanno un valore energetico rilevante anche per diverse ottave oltre la frequenza di taglio, ma a scapito di un maggiore sfasamento e distorsioni come vedremo.

Gli ordini di filtro superiore sono ottenuti raddoppiando la circuiteria in modo seriale, come da esempio di un circuito Low Pass di secondo ordine in figura 42.

Fig. 42

Questo raddoppio però porta anche ad un’attenuazione proporzionale del livello di segnale, per cui si hanno – 6 dB di attenazione alla frequenza di taglio con pendenza di 24 dB/Oct e – 12 dB con pendenza di taglio di 48 dB/Oct, in quanto che ogni circuito aggiunge il suo grado di resitenza al passaggio del segnale.

Per avere una frequenza di taglio a – 3 dB in tutti gli ordini, i filtri devono essere normalizzati secondo apposite circuiterie che fanno vedere al segnale di ingresso la resistenza del solo 1° ordine, e consentono di far partire la frequenza di taglio “reale” in modo proporzionale alla pendenza del filtro desiderata. Come si vede dalla figura 43, in considerazione di una determinata frequenza di taglio (in questo esempio 100 Hz), si ottengono attenuazioni sempre più marcate tanto più la pendenza è ripida. Infatti con pendenza 6 dB/Oct. e 12 dB/Oct. si hanno attenuazioni della frequenza di taglio di – 3 dB, essendo entrambi filtri con pendenza dolce, ma a 24 dB/Oct. in cu la pendenza comincia ad essere più marcata si hanno – 6 dB, e ancora più a 48 dB/Oct. si hanno – 12 dB (il doppio di attenuazione rispetto a 24 dB/Oct.). Questo è abbastanza logico in quanto che a parità di frequenza di taglio, una maggiore pendenza porterà un livello di attenuazione maggiore, per cui per arrivare alla frequenza di taglio a – 3 dB è necessario far partire la pendenza del filtro a frequenze sempre più vicine tanto più questa è ripida, mentre al contrario sempre più lontane tanto più la pendenza è dolce, come visto in figura 41.

Fig. 43

Per ciò lavorando con questa soluzione (generalmente possibile negli equalizzatori digitali e software in cui si ha molta più libertà e potenzialità nel creare curve di equalizzazione desiderate), se si lavora con pendenze elevate è bene sapere che si ottiene una maggiore attenuazione anche su frequenze prima di quella di taglio, tanto maggiore tanto più la pendenza è ripida, ma a banda di frequenze più stretta rispetto a pendenze più dolci come anche nel caso di normalizzazione a – 3 dB.

In contesto analogico i filtri sono quasi tutti normalizzati, mentre a livello software quando possibile si può variare la struttura della pendenza del filtro attraverso il Q (che determina appunto la caratteristica della pendenza del filtro, il quale fattore vedremo più avanti nel corso di questa trattazione), creando delle curve di filtro personalizzate, come questa in figura 44 in cui un filtro del 2° ordine (12 dB/Oct.) con frequenza di taglio a 100 Hz, è portato a – 12 dB invece che a – 3 dB come nei casi visti prima, e questo vuol dire però anche avere una diversa colorazione (in questo caso in attenuazione) della banda audio prima della frequenza di taglio stessa, in questo caso molto più ampia.

Fig. 44

Vediamo ora come si comporta la fase di un filtro reale in base alla pendenza data:

In figura 45 la variazione di fase di un filtro di 1° ordine (6 dB/Oct.), in cui si nota come già anticipato lo sfasamento (indicato in gradi e con riferimento in questo grafico sull’asse Y posta a destra). In questo caso la frequenza di taglio impostata è di 100 Hz. Si nota come il problema della fase non è limitato solo dalla frequenza di taglio fino alla fine della pendenza del filtro, ma interessa anche gran parte della banda di frequenze prima della frequenza di taglio stessa, quasi tutta la banda audio, con un più drastico cambio di fase dalla frequenza di taglio in giù seguendo la pendenza del filtro. La frequenza di taglio è in questo caso sfasata di 45° e si sfasa fino ad un massimo di 90° nel suo massimo valore di attenuazione.

Fig. 45

n.b. Lo sfasamento è sempre opposto all’andamento del filtro stesso, nel senso che il Filtro Low Cut da uno sfasamento positivo come si vede anche dalla figura 45, mentre il filtro High Cut lavorando in opposto al filtro Low Cut, come si vede dalla figura 46, da uno sfasamento negativo.

Fig. 46

n.b. Il problema della fase si riscontra più che nel singolo processamento, nella fase di Mix e riproduzione da diffusori acustici (che vedremo in altre argomentazioni), quando si mixano più segnali audio o si diffondono diversi segnali audio con più di 1 diffusore, come visto anche in argomento Acustica ed Acustica Architettonica, l’interazione di fase tra le varie onde, determina colorazioni della risposta in frequenza, con un degrado della qualità di ascolto (vedi argomenti citati). Lo sfasamento è poi anche indice di ulteriori problematiche che sono appunto la presenza di maggiori distorsioni e ripple sempre più marcati come più volte ripetuto.

In figura 47 la fase di un filtro di 2° ordine (12 dB/Oct.), in cui si nota come l’aumento della ripidità della pendenza del filtro porti anche ad un maggiore sfasamento, con un simile comportamento al filtro di 1° ordine per la banda non interessata dal taglio, ma invece un raddoppio dello sfasamento nella fase di taglio, tanto è vero che la frequenza di taglio ora si trova sfasata di 90°, e con massimo sfasamento a 180°, quindi una completa inversione di fase.

Fig. 47

In figura 48 la fase di un filtro di 4° ordine (24 dB/Oct.), in cui si nota come a questo livello di pendenza ci sia un’opposizione di fase sullo stesso filtro. Il range di frequenze che intercorre nella pendenza di taglio è sfasato con picco in controfase a – 180° prossimo alla frequenza di taglio stessa, mentre il range di frequenze nella banda utile, quindi prima del taglio è in opposizione di fase inversa con picco a 180° prossimo alla frequenza di taglio stessa e via via in entrambi i casi lo sfasamento va riducendosi tanto più ci si allontana dalla frequenza di taglio.

Fig. 48

n.b. Dal 3° ordine in su, la fase è in opposizione tra la banda di frequenze prima e dopo quella di taglio, e anche variando il tipo di filtro (es. Low Pass o High Pass), non varia l’andamento di fase, non viene invertito, ma è sempre con sfasamento negativo sotto alla frequenza di taglio e con sfasamento positivo sopra alla frequenza di taglio.

In figura 49 un esempio di filtro opposto (High Cut) a quello di figura 48 (Low Cut).

Fig. 49

Si nota chiaramente come lo sfasamento sia identico in entrambi i filtri. Questo è dato dalla reciproca risonanza dei circuiti che compongono i vari ordini del filtro.

In figura 50 la fase di un filtro di 8° ordine (48 dB/Oct.). Avendo raddoppiato la pendenza si raddoppia anche lo sfasamento, ed in questo caso c’è un doppio Ripple di fase, in cui la frequenza di taglio, in questo caso sempre a 100 Hz si trova a 0 °, mentre abbiamo uno sfasamento di 180° e controfase a – 180° prossimo sulle frequenze di 25 Hz e 125 Hz. Quindi ulteriori problemi di fase.

Fig. 50

In figura 51 la risposta di fase di un filtro Passa-Banda nelle sue variabili di pendenza.

Fig. 51

Come detto un filtro passa-banda è composto da un filtro passa-alto + passa-basso e l’interazione di fase dei due filtri crea la nuova curva risultante.

La fase complessiva è la linea bianca, che è data dall’interazione di tutte le fasi dei filtri attivi in quel momento, in questo caso HPF ed LPF, (le fasi si sommano sempre in addizione e sottrazione, per cui se in una frequenza un filtro è a 90° e l’altro coincide a – 60°, la fase risultante sarà 30°, quindi in questo caso sarà un azione positiva a livello di fase, tendendo a linearizzarla, ma non è una pratica che si segue nella fase di equalizzazione, in quanto che l’equalizzatore ed i suoi filtri sono utilizzati per regolare il tono nella forma e quantità desiderata indipendentemente dalla fase del filtro ottenuta. Quanto più per risolvere questo problema è stato inventato l’equalizzatore a Fase Lineare che vedremo più avanti, in cui qualsiasi pendenza del filtro non crea sfasamento. Mentre sullo sfondo e colorate ci sono gli andamenti delle singole curve di fase dei due filtri.

In questo caso del filtro passa-banda le curve risultanti sono sempre il raddoppio dei due filtri, cioè si aggiunge l’andamento di curva del filtro opposto, quindi avranno sempre valori da positivi a negativi per le pendenze più morbide (6 e 12 dB/Oct.), mentre un raddoppio dell’oscillazione tra le opposizioni di fase per 24 dB/Oct. che ne presenta 2 e 48 dB/oct che ne presenta 4. La più o meno vicinanza in frequenza delle opposizioni di fase dipende dalla distanza della frequenza di taglio dei due filtri, quindi dalla bandwith del filtro passa-banda e dal valore della pendenza, ad ogni raddoppio, consegue un raddoppio delle opposizioni di fase.

In figura 52 la risposta di fase di un filtro Band Reject o Stop Band nelle sue variabili di pendenza, che come detto è l’inverso del Band-Pass Filter.

Fig. 52

Come si vede le singole curve dei filtri lavorano con stessa fase ma spostati di frequenza (invertiti) rispetto al passa-banda, la curva di fase risultante è però la stessa, perchè l’interazione di fase da sempre lo stesso risultato.

Note

Nei filtri appena visti, se vario la frequenza o le frequenze di taglio anche variando le pendenze, non varia l’ampiezza dello sfasamento, ma è solo spostato in relazione alla frequenza definita (fig. 53).

Fig. 53

Questo è dovuto al fatto che la pendenza di questi filtri è lineare, ed ha sempre lo stesso rapporto di decadimento indipendentemente dall’ottava.

In figura 54 la risposta di fase di un filtro Notch, che ricordo essere un Band Stop Filter ma con pendenze regolabili tramite Q che identifica la larghezza di banda.

Fig. 54

Il filtro Notch ha un funzionamento del tutto simile ai filtri parametrici che vedremo più avanti, solo che a differenza loro non è regolabile in ampiezza, ma attenua tutto quello che rientra nella banda selezionata. Variando la precisione del Notch tramite fattore Q, più lo si rende ripido e preciso, e più lo sfasamento è contenuto intorno alla frequenza di taglio (questo permette ad esempio di lavorare finemente su di una risonanza o feedback senza deviare la fase di altri filtri attivi nelle vicinanze o ancor meno più lontani rispetto alla frequenza di Notch), per valori molto alti di Q lo sfasamento tende anche a ridursi (fig. 55, essendo limitato dal livello di attenuazione che proporzionalmente si riduce).

Fig. 55

Anche in questo caso variando la frequenza centrale non c’è una deviazione di fase, ma rimane sempre contenuta sui +/- 85°. Quindi meno rispetto ad un filtro Low Pass o High Pass, in cui si può avere l’inversione di fase a +/- 180°.

Questo è dovuto dal fatto che le pendenze non sono lineari ma come si vede anche dai grafici sono curve, quindi non hanno un rapporto di attenuazione proporzionale all’aumentare o calare dell’ottava e questo dall’interazione delle varie fasi, come si vede, ne limita lo sfasamento, ma al contrario è anche più complesso da realizzare e controllare (per cui genera più rumore e tanto più rumore e distorsioni armoniche tanto più è stretta la banda, come vedremo nel prossimo articolo si manifestano Ripple sulla banda audio e nella Stop Band di maggiore valore rispetto ad avere decadimenti lineari).

Note

Da 24 dB/Oct. in su e da 2 filtri attivi in su (tipo il passa-banda), il filtro può dare molti problemi di fase, soprattutto come vedremo meglio quando parleremo di Crossover e processamento degli strumenti musicali, in cui la corretta fase della diffusione audio sonora e nella ripresa microfonica sono fondamentali per un suono di qualità, e soprattutto se si utilizzano più filtri le cui pendenze ricadono nella stessa banda, non solo Cut Out, ma anche Shleving, Peaking, ecc…che vedremo più avanti.

Deviare la fase tra valori positivi e negativi soprattutto se con Ripple molto frequenti, costringe l’audio (nei suoi valori di tensione) e nel caso di riproduzione da altoparlante, ad oscillazioni o movimenti forzati che ne impoveriscono il valore energetico e per l’altoparlante ne calano prestazione e rendimento, sforzando tra movimenti in fase ed opposizione di fase, soprattutto su frequenze ravvicinate. Si utilizzano quindi procedure correttive che vedremo in altre argomentazioni.

In figura 56 un esempio di una complessa equalizzazione a simulare la taratura di un impianto audio, con equalizzatore grafico o software dedicato (il quale possiede molteplici filtri, che vedremo più avanti). Si vede come ci sono tanti e repentini cambi di stato della fase con le considerazioni viste prima.

Fig. 56

La fase complessiva è la linea bianca, mentre colorate sono le curve delle singole fasi dei singoli filtri attivi.

Note

Il filtro Cut Out è il filtro che da il maggiore sfasamento, in quanto che è una pendenza di taglio infinità verso valori negativi. Mentre come vedremo più avanti, nelle altre tipologie di filtri come gli Shelving e i Peaking, la variazione di fase dipenderà da quanto guadagno od attenuazione diamo ed in relazione alla banda di frequenza scelta per il processamento e sua ampiezza.

Ricapitolando un filtro con pendenza dolce porta meno distorsione e sfasamenti sul segnale audio, ma lavora anche con meno precisione, mentre filtri con pendenze più ripide sono più precisi nel taglio ma portano anche più distorsioni e sfasamenti.

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