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[Concetti Base] La registrazione audio a 24-bit

posted by VMStaff

La gamma dinamica
La gamma dinamica è l’intervallo di pressioni sonore, dalla più debole alla più forte, che un dispositivo di ricezione acustica è in grado rilevare.
Poiché il dispositivo di ricezione acustica più vicino a noi è l’orecchio umano, è ovvio che tutte le misurazioni effettuate in questo ambito hanno come modello di riferimento quello del nostro apparato uditivo.

La pressione sonora si misura in decibel (dB) ma vale la pena fare una precisazione: il decibel, di per sé, non è un’unità di misura, ma un rapporto tra due valori in una certa unità di misura, uno dei quali preso come riferimento.
Ecco perché ritroviamo la sigla “dB” in ambiti anche molto distanti tra loro (ad esempio, si misura in decibel anche l’intensità di ricezione di un segnale satellitare, che davvero poco ha a che fare con l’orecchio umano… a meno che non vi chiamiate Clark Kent).
Quando facciamo riferimento alla pressione sonora, allora, dovremmo parlare più propriamente di dBSPL, cioè di deciBel di Livello di Pressione Sonora (Sound Pressure Level).

Ma come si misura questa pressione sonora?
Visto che tutti i fenomeni acustici non possono che essere messi in relazione con il modo nel quale noi uomini li percepiamo, la scala delle pressioni sonore è stata costruita proprio rispetto alla sensazione che tali pressioni generano sull’uomo.
È stato così fissato un intervallo che parte convenzionalmente da 0 dBSPL, detta soglia di udibilità e corrispondente al minimo livello di pressione sonora che l’orecchio umano è in grado di percepire distintamente, e arriva fin sopra a 130 dBSPL, detta soglia del dolore, cioè in corrispondenza della quale la pressione sonora è talmente forte che genera forti fastidi all’orecchio, ma già intorno ai 120 dBSPL, anche brevi esposizioni possono produrre danni più o meno irreversibili.

Quindi la gamma dinamica dell’apparato uditivo umano è fissata in circa 120 dB.

È possibile stabilire la gamma dinamica anche per ogni dispositivo di ricezione acustica.
Il limite superiore della gamma corrisponde alla pressione acustica che satura le capacità meccaniche del dispositivo (ad esempio, la pressione che è in grado di rompere la membrana di un microfono).
Il limite inferiore invece è la minima pressione acustica in grado di produrre una variazione nel dispositivo.
Così, proprio come avviene per l’orecchio umano, anche per un qualsiasi altro dispositivo di ricezione acustica, la gamma dinamica è l’intervallo tra il suono più forte e quello più debole che il dispositivo è in grado di rilevare.

La gamma dinamica di un microfono professionale può superare i 100 dB.

Il rapporto segnale rumore
Sfortunatamente, nei dispositivi elettronici bisogna tenere in considerazione anche un altro fattore.
Per poter funzionare un dispositivo elettrico ha bisogno di essere alimentato e questa alimentazione genera essa stessa un disturbo nel funzionamento del dispositivo, questo disturbo non permette al dispositivo di rilevare il suono che sta ricevendo in maniera perfetta, per cui è come se si traducesse in un rumore vero e proprio.
La conseguenza è che la gamma dinamica teorica viene ridotta a causa di questo rumore che è intrinseco alla natura del dispositivo.
Per fare un esempio davvero semplicistico, è come se ci capitasse di avere un ronzio alle orecchie: sarebbe per noi impossibile individuare un suono che sia più debole dello stesso ronzio, cosa che invece riusciremmo a fare in condizioni uditive normali.

La gamma dinamica del dispositivo, a causa di questo rumore, viene quindi a ridursi, la misura di questo fenomeno viene data dal rapporto segnale rumore, anch’esso espresso in dB: è questo il valore a cui spesso si fa riferimento per valutare le capacità di rilevazione dinamica di un dispositivo

Ma quanti diversi tipi di decibel ci sono?
Abbiamo detto che molte unità di misura sono espresse in dB e che il decibel stesso non è una vera e propria unità di misura ma un rapporto tra due livelli di una certa unità di misura, uno dei quali preso come riferimento.
Nei dispositivi elettronici che trattano segnali derivanti da eventi acustici, capita di vedere spesso una scala differente dai dBSPL che ha come valore massimo 0 dB e tutti gli altri valori negativi fino a –infinito: i decibel di questa scala vengono indicati come dBfs (decibel “full scale” o “di fondo scala”).

La differenza è abbastanza semplice da capire: nella misurazione di una pressione sonora questo riferimento è il MINIMO livello sonoro percepibile dall’orecchio umano (0 dBSPL), quindi tutti gli altri livelli saranno superiori ad esso (valori positivi); al contrario, nel caso di segnali elettrici, il valore di riferimento è il MASSIMO livello che può essere rilevato senza produrre distorsioni (0 dBfs), quindi tutti gli altri livelli saranno inferiori ad esso (valori negativi).

La gamma dinamica in registrazione
Anche un dispositivo di registrazione ha una sua gamma dinamica che dipende principalmente dalla tecnologia con la quale avviene la fissazione dell’informazione acustica, trasformata il più delle volte in un segnale elettrico.

[Concetti Base] La registrazione audio a 24-bit

Nel grafico precedente possiamo vedere a confronto le gamme dinamiche di alcuni importanti dispositivi di registrazione e riproduzione acustica nella loro evoluzione storica.
Come si può notare, con l’avvento della registrazione audio digitale a 24-bit è stato superato abbondantemente e per la prima volta il limite della gamma dinamica dell’orecchio umano, questo vuol dire che una registrazione digitale a 24-bit è in grado di fornire abbondanti margini dinamici prima di intaccare l’intera gamma del nostro apparato uditivo.
Cosa che non avviene con nessun’altra tecnologia, così come mostrato dal seguente grafico.

[Concetti Base] La registrazione audio a 24-bit

In questo grafico, infatti, abbiamo invertito il ragionamento, ipotizzando di far combaciare il massimo segnale tollerabile dall’orecchio umano con il massimo segnale registrabile in ciascun tipo di supporto senza produrre distorsioni.
Qui si vede ancora meglio che mentre per ciascun altro supporto la gamma dinamica non permette di contenere molto di ciò che l’orecchio umano sarebbe ancora in grado di percepire, la registrazione digitale a 24-bit è ancora in grado di distinguere suoni anche al di sotto della soglia di udibilità umana.

Ad esempio, volendo registrare il rombo di un jet ripreso a 100 metri su ciascun supporto e senza distorsioni, non potremmo poi registrare:

  • sul disco in vinile a 78 giri, un treno passeggeri ripreso a 10 metri
  • sul disco in vinile a 33 giri, una conversazione ripresa a 1 metro
  • sulla musicassetta, una stanza silenziosa
  • sul nastro professionale e sul CD, lo stormire di foglie o il respiro umano ripreso a 3 metri

semplicemente perché i loro livelli sonori sarebbero troppo deboli per essere contenuti nella stessa gamma dinamica che contiene anche il rombo del jet.

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