Premessa
Il suono
Il suono è una conseguenza delle oscillazioni di pressione dell'aria provocate da un oggetto che si muove (la corda di una chitarra, il tubo sonoro di un flauto, membrana elastica di un tamburo, le corde vocali nella gola, il bicchiere che cade sul pavimento, il botto di un petardo ...) o dalle oscillazioni di una massa d'aria in una cavità.
Quando le oscillazioni di pressione raggiungono il padiglione auricolare 
i componenti dell'orecchio traducono le vibrazioni di pressione raccolte dal timpano in una sensazione che noi chiamiamo "suono". (youtube)
(Vedi articolo del dott. Carlo Govoni, otorinolaringoiatra)
Se l'oscillazione ha carattere periodico, si tratta probabilmente di musica in quanto si può trattare di oscillazioni prodotte da uno strumento che produce note musicali.
Una nota musicale produce oscillazioni a frequenza costante.
Se l'oscillazione della pressione ha caratterische casuali si tratta di rumore o di parlato.
Il cervello è in grado di distinguere suoni da parlato e da rumori.
Le oscillazioni di pressione hanno caratteristiche analogiche: assumono valori in ogni istante di tempo ed i valori fra due istanti di tempo contigui sono assai vicini tra di loro (continuità).
Caratteristiche del suono
Il suono é udibile dall'orecchio umano se ha alcune caratteristiche:
- l'altezza (frequenza dell'oscillazione o nota musicale) é compresa nella gamma 20Hz - 20.000Hz, altrimenti sono infrasuoni o ultrasuoni (youtube);
- l'intensità é, in termini di variazione di pressione sonora, compresa fra 0,2 miliardesimi della pressione atmosferica (soglia dell'udibile al di sotto della quale nessun umano sente alcunchè) e mille miliardi di volte più grande (soglia del dolore) vedi "Psicoacustica".
L'intensità viene misurata in termini di potenza trasmessa per metro quadro di superficie del fronte d'onda: W/m2.
Per parlare di intensità sonora non conviene riferirsi alla potenza ma al suo rapporto rispetto ad un valore preso come riferimento, per questo si usano i decibel nella misurazione di livelli sonori.
I decibel non sono una misura di potenza ma una misura del rapporto fra due potenze: bisogna sempre dichiarare il valore di potenza preso come riferimento (denominatore).
Il valore di riferimento usato per la misura dell'intensità sonora è la soglia di udibilità il convenzionalemente fissata ad una energia di 10-12 W/m2.
Quando il rapporto é pari a 1 (numeratore e denominatore sono uguali) l'intensità (relativa) è 0dB.
Così il livello sonoro del limite di udibilità misurato in decibel è pari a 0 dB mentre la soglia del dolore si posiziona a 120 dB che corrispondono a 1W/m2.
La stereofonia
I mammiferi sono in grado di riconoscere la provenienza di un suono (sensazione spaziale) grazie all'effetto stereofonico.
Il suono è unico, non è di per sè stereofonico.
Come si produce la sensazione spaziale?
Il suono impiega del tempo per percorrere lo spazio che intercorre tra il punto di produzione ed il punto di captazione; questo porta a definire la "velocità del suono" nell'aria che vale circa 340 m/s.
Le orecchie umane sono distanti una ventina di centimetri per cui un suono proveniente, per esempio, da destra raggiungerà prima l'orecchio destro e dopo circa mezzo millisecondo raggiungerà l'orecchio sinistro: questa ritardo è sufficiente perché il cervello possa determinare la direzione di provenienza. (nota 1)
La stereofonia consiste nel generare due suoni leggermente diversi registrando lo stesso suono da due punti diversi.
A questo punto si hanno due registrazioni leggermente diverse dello stesso suono.
Questi due segnali diversi vengono utilizzati per pilotare due diffusori sonori disposti in luoghi separati nello spazio in modo che le due orecchie ricevano due segnali diversi.
Questi due segnali diversi danno la sensazione della direzione di provenienza del suono.
Grazie alla stereofonia, l'ascoltatore può credere di essere effettivamente davanti ad un orchestra o complesso musicale perché é in grado di collocare la posizione dei vari strumenti (nota 2) lungo un arco esteso anziché un punto solo.
Oggi sono disponibili varie evoluzioni della stereofonia.
Prima c'era la stereofonia con solo 2 canali (due tracce sonore e due diffusori) poi è è arrivata la sterofonia 2.1 con la quale è stato aggiunto un subwoofer per accentuare i bassi infine si è arrivati al suono avvolgente con i sistemi di riproduzione sonora 5.1 o 7.1 dove il segnale viene elaborato per pilotare diversi diffusori anteriori e posteriori distribuiti nella sala..
Captare suoni
Un apparato fisico può intercettare le vibrazioni dell'aria e tradurle in tensione elettrica (trasduzione pressione-tensione).
A cosa serve avere una tensione elettrica?
Serve a rendere possibile il trattamento del suono, l'amplificazione, la memorizzazione, la riproduzione differita grazie all'uso di apparecchi elettronici progettati per l'audio.
La tensione elettrica è variabile come la pressione dell'aria (nota 3) per cui contiene in sè le informazioni del suono di origine.
L'apparato fisico che trasforma la variazione di pressione in tensione è il microfono (nota 4) il quale produce in uscita tensioni di pochi millivolt che vanno amplificati quanto prima.
Il microfono permette di captare il suono perchè lo trasforma in una tensione variabile che può essere trattata da circuiti elettronici sia analogici che digitali.
Captare vibrazioni
Il suono pouò essere catturato ancora prima di essere emesso andando a rilevare le vibrazioni della sorgente stessa del suono (per dire che un microfono funziona nell'aria mentre un pickup di chitarra elettrica funziona anche nel vuoto).
Esistono quindi altri componenti in grado di trasdurre una vibrazione (che non è ancora un suono) in tensione elettrica se sollecitati da altre grandezze fisiche che genereano il suono:
- il pick up delle chitarre elettriche utilizza le vibrazioni di una corda di acciaio (quindi materiale ferromagnetico) che oscilla su di un magnete provvisto di una bobina così da produrre la tensione variabile;
- la testina fonografica di un giradischi analogico che traduce le oscillazioni della puntina, indotte dal solco tortuoso del disco, in tensione utilizzando l'effetto elettromagnetico o elettrostatico o piezoelettrico (vedi wikipedia);
- la testina di un registratore la cui bobina sente le variazione del campo magnetico prodotte dal nastro magnetizzato che scorre sotto di essa.
Questi apparati non captano il suono, captano oscillazioni di altre grandezze fisiche e le trasducono in tensioni.
Ovviamente si possono considerare fra i generatori di tensione variabile che veicolano un suono anche tutti gli apparati digitali provvisti di convertitore DAC: lettori CD, lettori mp3, otput dei PC.
I DAC (wikipedia) sono convertitori digitali-analogici. Sono apparecchi elettronici che trasformano una informazione digitale in una tensione analogica.
Questi apparati hanno in comune il livello di tensione della linea in modo che possano essere utilizzati con dispositivi di amplificazione e riproduzione (cuffie) senza che ci si debba preoccupare di problemi di accoppiamento (standardizzazione dei segnali audio (vedi bsproj)
Conservare suoni
Un vantaggio derivato dalla trasformazione di un suono in un segnale elettrico consiste nella possibilità di memorizzarlo su un supporto fisico per poi recuperarlo in un secondo momento per ascoltarlo in un altro luogo (differimento del suono).
Nei dischi di vinile il suono è registrato in un solco tortuoso e di larghezza variabile. La rotazione del disco costringe la puntina ad oscillare in orizzontale ed in verticale. Le due oscillazioni trasportano i due segnali sonori da usare per la stereofonia (wikipedia o audiovalvole).
Nei registratori a nastro o a musicassette (walkman) il suono è registrato in una sottile pellicola di materiale magnetico in polvere steso su un nastro di materiale plastico. La polverina conserva la magnetizzazione che ha ricevuto mentre transitava sotto la testina di registrazione. La testina di registrazione è un elettromagnete pilotato da una corrente elettrica che oscilla come il suono. Il campo magnetico prodotto è quindi oscillante come il suono per cui il nastro, scorrendo sotto la testina, memorizza tutti i valori di oscillazione del campo magnetico prodotto dalla testina.
Nei CD il suono è registrato sotto forma digitale. La conversione del segnale analogico in segnale digitale è effettuata dal convertitore ADC.
Nelle pellicole cinematografiche, il suono (la colonna sonora) è registrato in una banda laterale ai fotogrammi (la colonna sonora, appunto) in forma ottica o in forma magnetica come si fa per i nastri registratori (usata nei film super8).
Articolo di approfondimento: Wikipedia: registrazione sonora.
Produrre suoni
Per produrre è necessario un dispositivo eccitabile dalla corrente elettrica per fare vibrare l'aria circostante (trasduzione corrente-suono).
Questo è il lavoro che svolgono gli altoparlanti (Wikipedia): essi utilizzano la corrente prodotta dall'amplificatore di potenza per mettere in movimento una bobina che si trova dentro un campo magnetico. La bobina trascina un cono di cartoncino o di plastica che smuove l'aria producendo un suono.
In modo analogo, ma sfruttando anche altri effetti fisici, funzionano le cuffie per le quali non c'é bisogno di un amplificatore di potenza bastando quella della linea di output dei dispositivi elettronici.
Amplificare il suono
La tensione in uscita da un microfono (o una qualunque altra sorgente) ha valori così bassi da non essere utilizzabili per pilotare alcun apparecchio.
Per questo motivo la tensione viene sempre amplificata prima di andare a qualsiasi apparato.
In genere gli amplificatori sono suddivisi in più stadi che si distinguono in
- preamplificatore, adatto ad elevare subito la tensione (Mic Level) proveniente da una sorgente come un microfono, un pickup, una testina magnetica in modo da mettere a disposizione per gli stadi successivi un segnale abbastanza grande (Line Level) e con il minimo rumore possibile per assicurare un buon rapporto segnale/rumore (gli amplificatori successivi amplificheranno tutto, sia il segnale utile che il rumore che non potrà più essere ridotto) (nota 4);
- amplificatore di tensione, adatto a mettere a disposizione tensioni più elevate, dell'ordine dei volt, per alimentare un circuito finale di potenza o per cuffie acustiche e dell'ordine di decine di volt da utilizzare per incidere i dischi o magnetizzare i nastri dei registratori magnetici;
- amplificatore di potenza o finale, utilizzato per pilotare apparecchiature di riproduzione come le casse acustiche ed apparecchiature di incisione.
Un amplificatore di potenza prevede in ingresso un segnale intorno ad 1V (0,770V - 1,223V) che viene anche chiamato segnale di linea.
Un amplificatore di potenza può essere di tipo
- ad impedenza di uscita costante (quelli di casa) ed é in grado di fornire la potenza di targa solo se il carico ha l'impedenza prevista dal costruttore (di solito 4Ω o 8Ω);
- a tensione costante (professionali) che alimenta casse acustiche di tipo diverso progettate per funzionare a queste tensioni..
Nota: per gli impianti consumer (quelli casalinghi o delle autoradio), la potenza massima si ottiene solo se i valori di impedenza sono quelli previsti dal costruttore.
L'adattamento di impedenza
Ogni componente audio che viene collegato ad un altro in cascata deve avere delle caratteristiche adatte all'accoppiamento che sono
- il livello di tensione
- l'impedenza
Accoppiamenti non adattati possono produrre rumori o saturazione se la tensione in uscita è troppo lontana dalla gamma di tensioni previste per l'ingresso dello stadio successivo e possono esserci riflessioni di segnale se le impedenze non corrispondono.
Vedi prof. Emilio Di Donato
Le caratteristiche degli amplificatori finali.
Gli amplificatori si caratterizzano, perlomeno, per potenza (su una data impedenza), banda di frequenza, distorsione massima.
Un buon amplificatore audio deve avere una curva di frequenza piatta fra 20Hz e 20.000Hz.
La distorsione deve essere inferiore all'1% per essere sopportabile ad orecchi sensibili (nota 5) (nota 6).
Il carico collegato all'amplificatore deve avere l'impedenza del valore previsto.
Il guadagno dell'amplificatore
Il guadagno di un amplificatore è il rapporto tra tensione in uscita (Vu) e tensione in ingresso (Vi):
A = Vu/Vi
Il guadagno è un numero adimensionato.
In genere si usa misurare il guadagno in decibel per cui il guadagno sarebbe G = 10* Log10 (Vu/Vi), il valore calcolato in questo modo non è utilizzato.
In ingegneria si fa riferimento alle potenze che queste tensioni possono produrre su una data impedenza per cui interessa di più riferirsi al rapporto fra i quadrati delle tensioni (nota 7)
G = 10*Log10 (Pu/Pi) = 10*Log10 (Vu2/Vi2) = 10*Log10 (Vu/Vi)2 = = 20*Log10 (Vu/Vi).
Es. Un amplificatore da 20dB amplifica il segnale di ingresso di 10 volte.
Se all'ingresso la tensione è di 4mV, all'uscita è di 40mV.
Per saperne di più Wikipedia.
Misura della tensione (il VUmeter)
La tensione che veicola un suono è caratterizzata dagli stessi parametri del suono come frequenza e intensità.
Il valore dell'intensità della tensione si misura in volt ma in campo musicale si usa misurare il valore in decibel.
Il valore 0dB è fissato ad un valore che per una data apparecchiatura funziona al limite superiore delle proprie prestazioni; oltre questo limite non sono più garantite le caratteristiche di distorsione, fedeltà, gamma di frequenza ... definite dal costruttore.
Poichè l'amplificatore funziona normalmente a tensioni inferiori al limite di progetto i valori in decibel sono sempre negativi.
Gli strumenti misuratori dei livelli di tensione (VUmeter) sono tipicamente strumenti che hanno il valore 0 dB verso il fondo della scala.
Se il livello di tensione supera 0dB significa che la tensione è oltre i valori di progetto per cui l'amplificatore, di sicuro, è in saturazione (clipping del segnale) e sta introducendo distorsioni inaccettabili (spesso quella parte della scala è in rosso) (nota 8).
Viceversa, se il livello è troppo basso non si ha saturazione ma la tensione corrispondente al suono può essere di valore paragonabile al rumore introdotto dall'amplificatore stesso abbassando il rapporto segnale/rumore, con evidenti disturbi all'ascolto.
L'uso del VUmeter è indispensabile per capire se l'amplificatore è utilizzato al meglio delle sue possibilità: non in saturazione e nemmeno con basso rapporto segnale/rumore.
I mixer hanno manopole (gain o trim) per la regolazione del guadagno del preamplificatore a cui è connesso il microfono. Sono da manovrare con accuratezza per avere il livello giusto di tensione fin dal primo stadio a cui è collegato il microfono: non troppo alto per non andare in saturazione, non troppo basso per non veicolare rumori insieme al suono.
Per saperne di tutto e di più consiglio una visita al "Corso di Tecnologia Musicale" del prof. Emilo Di Donato.
Un articolo (in inglese) su dBm, dBu, dBv … utile in certi casi.
L'argomento prosegue con un articolo sul suono digitale ed uno sulla scheda audio.
Note
nota 1: un suono a 1kHz ha un periodo di 1ms per cui arriva all'altro orecchio sfasato di 180° circa.
nota 2: ... e gli animali da preda capire da che direzione arriva la minaccia e scappare dalla parte opposta.
nota 3: la corrispondenza fra variazioni della pressione dell'aria e della tensione elettrica può essere esatta solo se l'apparato fisico ha un comportamento insensibile alla frequenza, cosa che non è.
nota 4: spesso i preamplificatori sono il componente più costoso.
nota 5: interessante questo riferimento alle norme DIN per HiFi.
nota 6: Interessante sapere qualcosa di più (Aranzulla)
nota 7: la potenza su una resistenza è P= V2/R.
nota 8: spesso si usa una fila di LED in sostituzine del VUmeter e la saturazione viene evidenziata con LED rossi mentre la fila di LED verdi rappresenta l'assenza di saturazione. Tendenzialmente i LED verdi devono acendersi quasi tutti altrimenti si è in zona di basso rapporto segnale/rumore.