Mauro Graziani
Conservatorio F.A. Bonporti - Trento
Biennio di Nuove Tecnologie e Multimedialità

Modelli di analisi, rappresentazione e trattamento digitale del suono
  Modulo 1

Il Suono Digitale

A quest'epoca, la riproduzione era, anche meccanicamente, il processo inverso rispetto all'incisione: facendo ruotare il cilindro, lo stilo "leggeva" i solchi e vibrava, trasmettendo le vibrazioni a una membrana che faceva vibrare l'aria. Le vibrazioni erano amplificate e direzionate dalla tromba.

Nel 1894 Marconi inventò la radio. Non ce ne occupiamo direttamente qui, ma se vi interessa, ne trovate la storia in questo sito dell'Un. di San Diego (in inglese) o in questo realizzato per il centenario (tradotto in italiano).
Il dato interessante collegato alla radio è, però, l'entrata dell'elettricità nel mondo audio. Già nel 1857, Helmholtz aveva suggerito di utilizzare l'elettromagnetismo e Bell fu il primo a usare un elettromagnete per far vibrare un diaframma (un po' come i coni delle casse acustiche attuali). Oltre che per le trasmissioni, l'elettricità venne utilizzata dapprima nella fase di riproduzione (costruzione di altoparlanti) e solo dal 1925 entrò in forza anche nella registrazione.

2.   Era elettrica

Già nella seconda metà dell'800, Helmholtz e Bell si erano indirizzati verso l'elettromagnetismo nei loro studi per la registrazione e la riproduzione dell'audio e i primi microfoni che utilizzavano sistemi elettrici vennero costruiti nei primi anni del '900.
L'introduzione dell'elettricità fu graduale, fino alla sua completa affermazione avvenuta subito dopo la prima guerra mondiale e determinò un grande salto di qualità in tutto il comparto audio essenzialmente perché i dispositivi elettrici reagiscono più rapidamente e con maggiore precisione rispetto a quelli meccanici. La corrente elettrica, infatti, è modulabile: la sua tensione può variare con grande velocità, quindi è adatta a seguire la variazione di un'onda audio. Anche qui il problema sta nel trovare un trasduttore efficace.
In questo caso il trasduttore si basa sull'effetto elettromagnetico: quando in un campo magnetico viene fatto muovere un conduttore, in questo conduttore si genera una corrente elettrica. Il bello è che la tensione di tale corrente varia nel tempo riproducendo esattamente il movimento del conduttore.
Osservate la figura a fianco (ingrandibile). In un campo elettromagnetico viene posto un conduttore, cioè un oggetto metallico in grado di vibrare (una molla o una corda).  Quando il conduttore vibra, muovendosi all'interno del campo, si produce corrente elettrica e si genera una tensione proporzionale alla vibrazione del conduttore. In pratica, la variazione di tensione della corrente riproduce esattamente la vibrazione del conduttore.
Una volta capito questo, basta portare nel conduttore la vibrazione dell'aria, esattamente come fa il timpano con la catena degli ossicini, per fabbricare un buon microfono.
Questo è il principio base che permette di trasformare la vibrazione dell'aria (il suono) in corrente elettrica.

2.1   Registrazione

2.1.1   Il Microfono

Visto il principio di cui sopra, è facile capire come può essere fatto un microfono.
Nel cosiddetto microfono dinamico (figura a sin.), al conduttore (che in figura è una bobina, cioè un sottile filo elettrico avvolto come una molla) è direttamente collegato un diaframma che viene messo in vibrazione dall'aria e trasmette le proprie vibrazioni al conduttore stesso. Si genera quindi una tensione che è la rappresentazione fedele di queste vibrazioni. Osservate come, ancora una volta, si sfrutta il principio del timpano per trasmettere la vibrazione dell'aria a un altro mezzo.
Oggi esistono diversi tipi di microfoni dinamici, che si differenziano moltissimo in base alla qualità (da pochi Euro, come i microfoni forniti di serie con le schede audio più comuni, e adatti per applicazioni vocali) fino a centinaia di Euro, adatti per applicazioni musicali. Fra le caratteristiche dei microfoni dinamici si può ancora citare la relativa insensibilità ai rumori meccanici esterni (come il maneggiamento del microfono) e lo spiccato effetto di prossimità, cioè la caratteristica di variare la risposta in frequenza, e quindi la timbrica, a seconda della distanza del microfono dalla sorgente sonora. I microfoni dinamici sopportano, generalmente, elevate pressioni acustiche.
 La figura di destra, invece, rappresenta lo schema di un microfono a condensatore.
Un condensatore è un apparato elettrico costituito da due piastre di materiale conduttore, separate da un isolante (aria o altro, chiamato dielettrico). Se alle due piastre viene applicata una tensione continua, non vi è passaggio di corrente, mentre se alle piastre viene applicata una tensione alternata la corrente passa, più o meno bene a seconda della sua frequenza e della distanza fra le piastre.
Nel microfono a condensatore una delle piastre è fissa, mentre l'altra è costituita dal diaframma messo in vibrazione dalle onde sonore, ed è perciò mobile: la distanza fra le piastre varia quindi a seconda della posizione del diaframma.
Alle piastre viene applicata una tensione continua di 48 Volt, chiamata phantom power (alimentazione fantasma) che viaggia sugli stessi conduttori usati per portare il segnale. Lo scopo è quello di generare un campo elettrico analogo, come funzione, a quello creato dai mageti nel caso precedente. Quando il diaframma è sollecitato da un'onda sonora si muove, e la distanza fra le piastre varia, modulando perciò la tensione continua.
Con appositi circuiti, la tensione continua viene eliminata, e rimante soltanto la parte alternata, che costituisce proprio il segnale elettrico che ci serve, e che segue l'andamento di pressione dell'onda sonora.
Fra le caratteristiche dei microfoni a condensatore è l'elevata sensibilità, e la delicatazza, oltre che la sensibilità ai rumori meccanici, come il maneggiamento del microfono.

2.1.2   Il Registratore

Innovazioni ancora più vistose si ebbero nell'area della registrazione. Se, da un lato, i microfoni elettrici miglioravano nettamente il momento del passaggio del suono dall'aria all'apparecchiatura di registrazione, un tale miglioramento sarebbe stato quasi inutile senza un nuovo sistema di memorizzazione del segnale acquisito dal microfono. Occorreva, cioè, un nuovo tipo di supporto su cui memorizzare la tensione prodotta dal microfono e le sue variazioni nel tempo in modo più accurato da quello offerto da un cilindo o un disco di cera.
Ancora una volta la chiave di questa svolta qualitativa è il magnetismo. La magnetizzazione, infatti, non è un fenomeno di tipo on/off, sì/no, tutto/niente, ma è modulabile. La sua intensità può variare da zero, in positivo e in negativo e può essere misurata il che equivale a dire che, una volta applicata, può essere letta in un momento successivo.
Si può quindi memorizzare la variazione di tensione prodotta dal microfono sotto forma di magnetizzazione su un supporto atto a essere magnetizzato. Ovviamente, per poter salvare le variazioni della tensione nel tempo, questo supporto non deve essere un blocco ristretto, ma disporre di un certo spazio come sul disco e sul nastro.
I primi tentativi di registrazione magnetica vennero eseguiti già nel 1898 dal danese Poulsen utilizzando un filo metallico al posto dell'odierno nastro. Quest'ultimo apparve solo nel 1928, quando si scoprì il modo di applicare particelle magnetiche a una striscia di materiale plastico.
Nel 1935 il gruppo tedesco BASF/AEG mostrò al pubblico il primo registratore a nastro (in figura) di cui potete anche ascoltare un esempio audio. Anche qui, concettualmente, siamo già vicini ai modelli attuali. Naturalmente, nel tempo, vennero apportate moltissime migliorie. La velocità del nastro, che in questo modello era di ben 760 cm/sec, diminuì gradualmente fino ai 72 cm/sec. degli anni '50, ai 38 cm/sec. delle registrazioni professionali degli anni '70, mentre i modelli amatoriali avevano velocità di 19 e 9.5 cm/sec.
L'effetto del registratore a nastro per la composizione musicale era dirompente. Per la prima volta, il suono non era più un oggetto sfuggente e difficile da trattare, ma diventava solido.
Per esempio, invertendo il senso di scorrimento del nastro (in realtà montando il nastro al contrario), si poteva rovesciare l'andamento del suono, oppure, cambiando la velocità di scorrimento, tutto il fenomeno sonoro risultava trasposto in altezza e tempo. In modo analogo, mediante tagli si poteva realizzare qualsiasi montaggio. Non a caso la prima corrente compositiva che si basava principalmente sulle manipolazioni del nastro venne a chiamarsi "musica concreta".
Lo schema di funzionamento di un registratore a nastro è il seguente: il registratore è sostanzialmente costituito da un sistema di trascinamento che ha lo scopo di far scorrere il nastro ad una velocità costante di fronte a tre "testine magnetiche" usate, rispettivamente, per la registrazione, la cancellazione e la riproduzione.
Nella fase di registrazione il segnale che deve essere registrato viene opportunamente amplificato ed inviato alla testina di registrazione mentre il nastro viene fatto scorrere. In questo modo l'intensità di magnetizzazione di zone successive del nastro varia proporzionalmente al valore del segnale sulla testina e le caratteristiche del materiale ferromagnetico sono tali da memorizzare permanentemente tale intensità di magnetizzazione.
Nella fase di riproduzione il nastro viene fatto scorrere nuovamente, ma questa volta viene utilizzata la testina di riproduzione. Lo scorrimento del nastro provoca variazioni del campo magnetico nella testina di riproduzione, dato che sul nastro si trovano in successione zone a diversa magnetizzazione.
La variazione del campo magnetico induce nell'avvolgimento della testina correnti proporzionali che quindi "riproducono" la forma del segnale che aveva originariamente magnetizzato il nastro e genera quindi un segnale che può essere restituito inviandolo ad un amplificatore.
La testina di cancellazione ha lo scopo di consentire l'uso del nastro per diverse registrazioni. Infatti registrando un nuovo segnale su un nastro già registrato si otterrebbe di sommare il nuovo segnale a quello già esistente con l'effetto di sovrapporre le due registrazioni. Per questo motivo, in fase di registrazione, il nastro prima di passare sotto la testina di registrazione passa sotto quella di cancellazione che è alimentata con un segnale opportuno per annullare ogni precedente magnetizzazione del nastro.

2.2    Riproduzione

2.2.1    Amplificatore

La corrente elettrica in cui viene trasformato il segnale audio ha livelli molto bassi. Per questa ragione il segnale deve, per prima cosa essere amplificato. Un amplificatore si limita essenzialmente a aumentare il livello (cioè il volume) del segnale e permette di controllarlo mediante una manopola.
Di solito, però, negli impianti home, viene aggiunta una sezione di preamplificazione con controlli di tono e bilanciamento fra i canali.

2.2.2    L'altoparlante

L'oggetto che riproduce il suono viene chiamato "altoparlante". Vi sono rari altoparlanti specializzati che hanno una struttura e un funzionamento del tutto particolari (altoparlanti elettrostatici, al plasma e pochi altri). Ma nella stragrande maggioranza dei casi tutti voi avrete a che fare con altoparlanti di tipo "dinamico", che è il tipo di altoparlante adottato nel 99% dei casi.
Dunque, come è costruito un altoparlante dinamico? 
E' costituito da un cono (in grigio nell'immagine), che nella maggior parte dei casi ancora oggi è costituito da cartone, così come nei suoi antenati (anche se in diversi casi oggi si usa della plastica).
Al bordo esterno del cono vi è una sospensione (in rosso, ai lati esterni del cono) che lo ancora ad una struttura di supporto (in metallo) chiamato cestello (in blu). L'altro bordo del cono è solidale con una bobina (avvolgimendo di filo elettrico intorno a un supporto metallico, in figura è la spirale rossa e nera alla base del cono). Alla base della bobina si trova un magnete permanente cioè una calamita (in verde) di cui uno dei poli è rivolto verso la bobina. Il magnete è fisso perché è saldato al cestello, mentre la bobina può muoversi avanti e indietro insieme al cono.
Il punto cruciale per il funzionamento dell'altoparlante è il rapporto fra la bobina e il magnete. Alla bobina, infatti, arriva direttamente l'onda audio sotto forma di corrente elettrica. Quando nella bobina viene fatta passare la corrente, essa si trasforma in elettrocalamita (diventa un elettro-magnete). Ora, voi sapete che, con le calamite, i poli dello stesso segno si respingono mentre quelli di segno opposto si attraggono. Di conseguenza, quando il polo della bobina e quello del magnete hanno lo stesso segno, la bobina (che è mobile) si allontanerà dal magnete, spingendo in avanti il cono, mentre quando il segno è opposto, la bobina si avvicinerà al magnete, tirando all'indietro il cono.

3.   Era Digitale

Via via che la potenza e la disponibilità dei computer aumentavano, si intensificavano le ricerche per trattare con sistemi digitali anche l'immagine e il suono. Ci si rendeva conto, infatti, che, riducendo tutto a numeri, i mezzi digitali assicuravano maggior precisione e maggior facilità di trattamento potendo applicare su di essi le normali operazioni aritmetiche. Abbiamo già visto come il suono si trasforma da fenomeno acustico a fenomeno elettrico. Ora vedremo come da elettrico diventa digitale.

3.1   Registrazione

Il computer è un sistema che tratta numeri. Nonostante si possano elaborare testi, immagini e suoni, tutto, nella macchina, è codificato in forma numerica.

• I testi, per esempio, sono codificati con il sistema ASCII che assegna un numero ad ogni lettera, cifra e segni di punteggiatura e prossimamente si passerà al sistema Unicode che permette di codificare qualsiasi simbolo, quindi anche gli alfabeti diversi dal nostro e gli ideogrammi.
  
• Le immagini sono suddivise in punti (pixel) a ognuno dei quali è attribuito un colore mediante 3 numeri che rappresentano le quantità di rosso, verde e blu da mescolare per ottenere quel colore (sistema RGB: red, green & blue).