Grateful Dead, Wall of Sound, famoso esempio di array di diffusori, primo pratico esempio di colonne di altoparlanti per una diffusione a sorgente emicilindrica.

di Paolo Calza e Lorenzo Ortolani

UN PO’ DI STORIA

Il Beam Steering è una particolare tecnica con la quale è possibile modellare le direttività dei diffusori grazie all’interazione di più altoparlanti.
Il primo a trattare questa tecnica e a capirne il funzionamento fu Thomas Young che nel 1801 presentò le sue teorie sull’interazione delle onde prodotte da due sorgenti differenti. Ufficialmente però le teorie di Young vennero messe in pratica solo a partire dal 1900, dapprima nelle telecomunicazioni, poi nell’analisi di materiali solidi con gli ultrasuoni, fino ai tempi più recenti quando tecnologie come l’ecografia utilizzano proprio la tecnica del beam steering.

Per quanto riguarda l’applicazione nell’audio, i primi studi e soprattutto i primi utilizzi avverranno soltanto a partire dagli anni ’60 (con Harry Olson) quando si è iniziato ad analizzare l’interazione degli altoparlanti al variare del loro interasse.
Proprio in quegli anni vennero alla luce i primi line array grazie ai quali la prossimità e il grande numero di altoparlanti riesce a definire direttività anche a medio-bassa frequenza dove, altrimenti, avremmo dei lobi tendenti all’omnidirezionale.
Oggi, grazie alle prestazioni e alle potenzialità dei DSP é possibile controllare singolarmente gli altoparlanti per poter modellare la direttività del diffusore stesso.
Le maggiori applicazioni si hanno nelle colonne sonore (no, non quelle dei film!), ovvero dei veri e propri array di diffusori (spesso a larga banda) che, controllati ed amplificati singolarmente, rendono un diffusore un complesso sistema di altoparlanti.
Il controllo remoto dei processori, inoltre, permette la riprogrammazione istantanea e customizzata a seconda delle esigenze.

A COSA SERVE
La progettazione di questi tipi di sistemi non è di certo un gioco da ragazzi e tanto meno lo è il corretto utilizzo, sbagliando l’immissione di dati all’interno dei processori è possibile infatti creare cancellazioni e deviazioni dei lobi che non sono di certo efficaci in ambienti riverberanti e particolari.
L’utilizzo, o quasi la necessità, dell’applicazione di diffusori che utilizzano la tecnica del beam steering nasce per ovviare a due importanti fattori: tempi di riverbero delle venue e rumore di fondo ambientale elevato.
Per quanto riguarda la prima situazione basti pensare a delle chiese o cattedrali dove gli RT60 (tempo di decadimento di 60 dB rispetto al segnale di riferimento) sono spesso di 10/15 secondi, costanti, fino a 4 kHz. In questi casi si ha necessità di diffusori “chirurgici” in grado di indirizzare la pressione sonora in settori ben precisi e delimitati, questo per non disperdere energia contro le pareti o in zone disturbanti che creerebbero solo altro riverbero, facendo di conseguenza abbassare ulteriormente l’indice STI (indice di intelligibilità) misurato.

Il rumore di fondo elevato è invece tipico in luoghi come stazioni ferroviarie o scali aeroportuali dove anche solo la grande mole di persone rende molto rumoroso l’ambiente, lì è indispensabile sfruttare tutta la pressione sonora indirizzandola nelle aree sensibili (quelle frequentate dalle persone). Solo in questo modo è possibile avere delle adeguate prestazioni senza scomodare migliaia di watt.

Visualizzazione del pattern di emissione verticale. Questa tipologia di pattern è detta “Steering”, letteralmente tradotto come sterzamento, di una colonna Renkus Heinz, Iconyx.

Molte aziende costruttrici hanno anche incominciato a commercializzare colonne sonore in versione rent, con hardware integrato e sistemi di sospensione simili a quelli dei grandi impianti. Sotto quest’ottica infatti i sistemi beam steering sono un utile compromesso tra impianti di piccole dimensioni, alta efficenza e versatilità a “portata di click”.
Molti di questi impianti sono infatti dotati di software di controllo dei processori, molto intuitivi, in grado di configurare il sistema ad hoc per ogni necessità, con pochi click del mouse.
Il tutto con preset impostati dalla casa madre, onde evitare che l’utente possa fare danni.

COME FUNZIONA
Vediamo ora come avviene l’interazione degli altoparlanti e le fondamenta del beam steering.
Le caratteristiche di questi sistemi si possono sintetizzare in 4 punti:
1. L’altezza della colonna: è questa a determinare l’estensione a bassa frequenza del diffusore stesso.
2. L’interasse tra gli altoparlanti: questa caratteristica permette di individuare la frequenza alla quale la colonna si comporta come una array e non come una serie di altoparlanti separati.
3. La dispersione orizzontale: questa caratteristica è fissa, infatti risiede negli altoparlanti che vengono usati in quanto nelle colonne non sono utilizzate trombe o comunque non nella maggior parte dei casi.
4. Le caratteristiche intrinseche degli altoparlanti: la potenza e la sensibilità diventano anche le caratteristiche del sistema stesso.

Vari esempi di diffusione (polare sull’asse orizzontale) di una colonna di altoparlanti distanziati di 0,17 m. Ad ogni riga raddoppia il numero di altoparlanti, da 2 a 16, per un totale di 2,72 metri di colonna. (cortesia Duran Audio)

L’unico neo potrebbe essere che la risposta in frequenza tenderebbe ad avere una maggiore presenza in gamma medio-bassa ma il tutto è recuperabile con l’equalizzazione del diffusore.

Fig.1 – Diagramma polare verticale. Due altoparlanti ad una distanza di λ/2 (λ è la lunghezza d’onda) producono, alla frequenza f=c/λ (c=velocità del suono) un raddoppio del segnale sul fronte e una cancellazione netta ai lati

ENTRIAMO NEL DETTAGLIO

Due altoparlanti ad una distanza di λ/2 (λ è la lunghezza d’onda) producono, alla frequenza f=c/λ (c=velocità del suono) un raddoppio del segnale sul fronte e una cancellazione netta ai lati del diagramma (ovvero sopra e sotto la colonna di altoparlanti – fig. 1), questo perché, come rappresentato in figura, l’onda proveniente dall’altoparlante verde arriva all’altoparlante giallo invertita di fase (fig. 2),

Fig.2 – L’onda proveniente dall’altoparlante verde arriva all’altoparlante giallo invertita di fase e viceversa, mentre si somma frontalmente

quindi sommandosi con la stessa onda riprodotta dall’altoparlante giallo, si annulla. Questo avviene anche nell’altro senso, ecco perchè avremo delle cancellazioni al di sopra e al di sotto (secondo lo schema in figura) dei due altoparlanti, oltre che una somma frontalmente.

Fig.3 – Alla distanza λ/4 gli altoparlanti si comportano quasi come un’unica sorgente alla frequenza data f=c/λ.

Una cosa simile avviene avvicinando gli altoparlanti ad una distanza di λ/4, in questo caso però la cancellazione e gli altoparlanti si comportano quasi come un’unica sorgente (fig. 3), con la  differenza che si ha una leggera attenuazione ai lati, questo perché ora non ci troviamo più nella situazione di avere due onde distanti λ/2.

Allontanando gli altoparlanti, le cose si complicano, portandoli alla distanza λ, cioè la lunghezza d’onda, vediamo infatti la creazione di due lobi separati: uno verticale ed uno orizzontale.

Fig.4 – Alla distanza λ la somma di f si avrà orizzontalmente e verticalmente.

Questo succede perché i driver si rinforzano a vicenda sommandosi nelle zone frontale, posteriore e ai lati.
La figura 4 riporta il polar pattern del caso descritto, sempre sull’asse verticale.

Man mano che si allontanano gli altoparlanti, da questo punto in poi, si andranno a creare sempre più lobi, nella figura 5 è riportato un esempio in cui gli altoparlanti distano 4λ.

Fig.5 – Pattern polare alla frequenza f degli altoparlanti a distanza 4 λ

Analizziamo cosa succede con un array di altoparlanti, senza applicare delay ai singoli altoparlanti o altri “trucchi”, sfruttando quindi solo ed esclusivamente la fisica acustica. Non è importante sapere con quanti altoparlanti viene fatta questa prova, infatti tutto dipende dall’altezza dell’array e dalla relazione con la frequenza presa in esame.

Quando λ è la metà dell’altezza dell’array abbiamo un caso simile al primo preso in esame con due altoparlanti, infatti in questo caso non è possibile controllare la direttività ed ecco che l’array si comporta quasi (e ripeto quasi!) omidirezionalmente (il polar pattern non è molto diverso da quello riportato in figura 2).

Fig.6 – Pattern polare di più diffusori equidistanti a frequenza con lunghezza d’onda identica alla lunghezza dell’array, i due piccoli lobi sull’asse verticale sono le somme dei diffusori più distanti, dove la frequenza diventa f=c/λ.

Aumentando la frequenza incominciamo subito a vedere una certa direttività, la figura 6 riporta il caso in cui la lunghezza d’onda è pari all’altezza dell’array. Notiamo subito due lobi principali, frontale e posteriore: in questa zona infatti avremo il contributo dell’intero array che, in asse, si comporta come un unico altoparlante. I due lobi laterali invece, con notevole attenuazione rispetto ai due principali, sono caratterizzati dal fatto che solo due altoparlanti si trovano in contro fase l’uno rispetto all’altro (il primo e l’ultimo dell’array) mentre gli altri continuano a dare contributi anche laterali.

Fig.7 – Pattern polare verticale a frequenza 4 volte maggiore l’esempio 6, l’angolo di emissione si approssima a 15°.

Esagerando ed analizzando la frequenza quadrupla rispetto l’esempio 6, notiamo una certa somiglianza con i casi trattati in precedenza per due soli altoparlanti, ma qui la direttività è molto accentuata (fig. 7), quasi 15°.

IL DSP
Dopo dei brevi cenni di teoria andiamo a concentrarci sull’utilizzo dei DSP (Digital Signal Processor) per il controllo dei suddetti array di altoparlanti. Detto e appreso il fatto che il limite superiore della risposta in frequenza è dato dall’interasse degli altoparlanti, si tenderà ad avvicinare più possibile i coni, così da avere una estesa risposta in frequenza e soprattutto in modo da sfruttare il massimo output degli altoparlanti.
Come abbiamo visto, gli array, incrementando la frequenza, diventano molto direttivi, fino ad essere troppo direttivi ad altissima frequenza. Ecco allora che con i DSP possiamo andare ad effettuare le prime modifiche, inserendo dei filtri low-pass con frequenza crescente a partire dagli altoparlanti posti agli estremi dell’array, in modo da diminuire il numero dei diffusori che riproducono le alte frequenze e, virtualmente, accorciando l’array su quelle frequenze.
Questa tecnica renderà molto più stabile e costante la direttività verticale, potendola quindi paragonare con i lobi creati a frequenze più basse in quanto riprodotte da un maggiore numero di componenti.

A questo punto abbiamo un diffusore del quale riusciamo a correggere la direttività sul piano verticale ma, spesso e volentieri, abbiamo anche bisogno di deviare, verso l’alto o il basso, il lobo dell’array.

Fig.8 – Esempio nel quale il lobo viene deviato verso il basso di 15°, tramite delay sui diffusori.

Principalmente con questo scopo, si inseriscono delay ai singoli altoparlanti in modo da inclinare il lobo. In figura 8 è rappresentato un esempio nel quale il lobo viene deviato verso il basso di 15°. La simulazione non considera il diffusore come una cassa chiusa, quindi avremo dei lobi anche nel lato posteriore ma poi nella realtà quella porzione verrà assorbita all’interno del diffusore e riversata sul lato frontale, aumentando la pressione.

L’utilizzo di questa tecnica può interessare diverse applicazioni: nelle installazioni permette di posizionare una colonna parallela alla parete indirizzando il fascio nella direzione più congeniale (anche obliqua). Per quanto riguarda l’utilizzo per la musica dal vivo, possiamo paragonare questa tecnica ad un line array dove i diffusori sono leggermente ritardati dall’alto verso il basso rispetto la loro posizione naturale.
Anche in questo modo ci è possibile posizionare il diffusore sul fronte del palco perfettamente verticale e poi indirizzare il fuoco direttamente sul pubblico.
Se “una volta” bisognava calcolare il buco della flying-bar… oggi basterebbe cambiare preset al diffusore e di conseguenza viene modificata l’inclinazione del lobo di emissione. Oppure si potrebbero avere due lobi diversi, per coprire, ad esempio, due gallerie differenti.

ALL’ASCOLTO
Abbiamo un array di trasduttori a larga banda, filtrati e ritardati per avere una dispersione inclinata di 15° verso il basso (teoricamente tutto molto bello), a questo punto possiamo passare all’ascolto: un citofono!

Per fortuna tutte le deficienze nella risposta in fase e frequenza vengono ottimamente aggiustate a posteriori dal DSP e di nuovo per fortuna all’utente finale le colonne arrivano già processate!
Per loro natura e costruzione infatti questo tipo di colonne tenderebbero a suonare un po’ nasali, ecco appunto perché l’equalizzazione e il rifasamento è cosa molto delicata, da seguire con particolare attenzione.

UNO, DIECI, CENTO AMPLIFICATORI 

Una colonna beam steering è impossibile da realizzare con un unico amplificatore. Bisognerebbe considerare ogni altoparlante (o gruppi di altoparlanti) con il suo processamento dedicato e il suo relativo amplificatore. Non dimentichiamo che in alcuni prodotti del genere, DSP e Amplificatore sono condivisi (as esempio, in una colonna con 8 diffusori, può capitare che 1 e 8 condividano lo stesso ampli, come 2-7, 3-6 e 4-5) Naturalmente in questi casi non sarà possibile lo steering, ma solo un restringimento della dispersione sull’asse di emissione. Sarebbe tutto più facile se inventassero dei delay analogici per segnali di potenza…!

CONCLUSIONI
La tecnica del Beam steering, seppur vecchia di 210 anni, è sicuramente ancora in crescita ed evoluzione. Negli ultimi anni molte aziende stanno adottando questa tecnica in numerosi prodotti. Si tratta di vera evoluzione tecnologica o di strategie di marketing per aggiungere una nuova fascia di prodotti ed aprire nuovi mercati? Verità o no, questo tipo di diffusori risolvono spesso tanti problemi e con i nuovi prodotti in commercio si raggiungono pressioni e definizione sonora davvero di gran livello.