L’analisi a elementi finiti e la tecnica di fluidodinamica computazionalesono alla base di uno strumento sviluppato per ridurre i dislivelli dipressione sonora alle basse frequenze in una sala Home Theater.

Una delle problematiche più importanti che ilprogettista deve affrontare quando determina, inuna sala Home Theater, il numero di subwoofere la loro posizione è il raggiungimento di unapressione sonora equamente distribuita.Per dotare i progettisti di uno strumentoprofessionale, Keith Yates Design ha sviluppatoun software dedicato, capace di generare unreport di alto profilo. Questa società progettada 23 anni sale Home Theater e fin dall’iniziosi è dovuta confrontare con la presenza eil posizionamento di subwoofer di grandidimensioni.


Le caratteristiche della sala

L’interazione dell’impianto audio con la forma della sala, le sue dimensioni e l’edificio porta a degradare le prestazioni dei migliori sistemi, enfatizzando le basse frequenze al punto da risultare molto fastidiose in corrispondenza di alcuni punti di ascolto e quasi assenti in altri. In poche parole, la distribuzione del livello suono è quasi assente, per niente eterogenea; ciò provoca una sensazione scomoda e disagevole, proprio il contrario di ciò che deve esprimere una sala Home Theater.
Queste risonanze alle basse frequenze, a volte riferite a ‘eigenfrequency’ (frequenze proprie, modellate come un autovettore) oppure onde stazionarie sono il risultato di una specifica combinazione di vari elementi:
– lunghezza d’onda della frequenza sonora;
– forma della stanza, dimensioni, costruzione delle pareti e del loro rivestimento;
– elementi acustici (ad esempio: divani, trappole per i bassi ingegnerizzate, ecc.);
– quantità e posizione dei diffusori come woofer e subwoofer;
– disposizione delle sedute all’interno del locale.

Il posizionamento dei diffusori individuato dal software BassCAMP.

La pressione sonora

La pressione sonora nella sala a 38,1 Hz, prima e dopo l’ottimizzazione.

Quando l’energia di una lunghezza d’onda a bassa frequenzaviene ’pompata’ all’interno di un piccolo ambiente, come puòessere quello di una sala Home Theater o di una Sala Multimedia,le onde stazionarie si propagano nelle diverse direzioni, sirafforzano e si annullano: per rendere meglio l’idea possiamopensare ad una mappa sonora, associata a questo ambiente,piuttosto confusa, quindi acusticamente alquanto deficitaria. Nonè colpa del subwoofer: in una camera anecoica, oppure in grandispazi aperti, la maggior parte dei subwoofer di qualità generabassi piatti come un righello, su tutta la gamma di riferimentoche si estende da 20 a 80 Hz. Provate a posizionare lo stessosubwoofer in un angolo di una sala Home Theater e applicateal suo ingresso un segnale composto da una sinusoide costante,declinata nelle frequenze proprie della stanza (circa 25 valori),ossia le ‘eigenfrequency’, muovendovi nella sala stessa dotati di unsemplice misuratore di pressione sonora.


Nodi e Ventri

La miglior combinazione MSD per ciascun numero di subwoofer

Molto probabilmente rileverete che in corrispondenza dei‘nodi’ il valore della pressione sonora sarà pari a 50/55 dB, mentrequando vi posizionerete nei punti detti ‘antinodi’ questo valoresalirà anche a 90 dB.Le aree ad alta pressione sonora (ventri o antinodi) tendono averificarsi soprattutto negli angoli (ma non solo), mentre le aree dibassa pressione (nodi) possono presentarsi ovunque. In una sala Home Theater composta da due file di sedute, con la seconda fila posizionata ad una trentina di centimetri dalla parete posteriore, la variazione massima della pressione sonora presente fra due diverse sedute potrà arrivare fino a 30 dB, per una o più frequenze modali; una differenza che genera un requisito sonoro esattamente opposto alla qualità Hi-Fi, anche per chi non ha sviluppato una sensibilità adeguata all’ascolto della musica di qualità. Così, una specifica seduta può avere una risposta piatta alle basse frequenze mentre, a pochi metri di distanza si potranno presentare problematiche, a prima vista non risolvibili. Talivariazioni sono dimostrabili al di là di una correzionesonora effettuata con un processore surrounddedicato o, ancora, di un equalizzatore/DSP.


Subwoofer: quanti e dove

Una rappresentazione della pressione sonora nella sala a 53,3 Hz: sotto, come appare dopo le indicazioni del software.

Alcuni fra i migliori specialisti del settorehanno dedicato anni alla comprensione di questoproblema e alle sue possibili soluzioni. In unaserie di articoli pubblicati nel 2006 dal Journal ofAudio Engineering Society, i ricercatori di Harmanguidati da Floyd Toole e Todd Welti, hanno creato un modello che rappresenta la problematica, confrontando le previsioni con le misurazioni effettive, suggerendo soluzioni pratiche. Fra le soluzioni proposte abbiamo le seguenti:
– inserire un subwoofer in ciascuno dei quattro angoli della stanza, un layout che interpreta il concetto “mode cancelling” espresso da Floyd Toole;
– in alternativa, se tutti e quattro gli angoli non sono disponibili, e se le impedenze acustiche della parete sono similari fra loro, quindi dotate di uguali rivestimenti, i 4 subwoofer possono essere installati nei punti centrali delle pareti.
Va notato che l’intento delle raccomandazioni espresse da Harman non è appiattire la risposta dei bassi ma, piuttosto, equalizzare la pressione sonora per mantenerla più uniforme possibile fra le diverse posizioni di seduta, per tutta la gamma da 20 a 150 Hz. Un risultato notoriamente difficile da raggiungere nella maggior parte degli ambienti domestici. Per quale motivo si dovrebbero adottare queste soluzioni? Perché se, e solo se, fosse possibile contenere ad un valore minimo la variazione di pressione sonora presente fra le diverse sedute sarebbe possibile, utilizzando un equalizzatore e variando il livello della pressione nel punto di misurazione, ridurla in corrispondenza di tutte le sedute.


Un approccio pratico e realistico

Considerate fra i progettisti come una ‘bestpractice’ per le sale Home Theater e Multimedia,entrambe le soluzioni Harman si applicanosoprattutto ai parallelepipedi (ambienti perfettamenterettangolari) privi di controsoffitti, file di poltronededicate, nicchie o altre soluzioni architettoniche che,è inutile evidenziarlo, rappresentano elementi tipici diogni ambiente residenziale. Nel 2006 Keith Yates Design ha avviato unprogramma di ricerca interno per sviluppare i concetti basilari definiti da Harman. Il programma è partito dal primo passologico che lo stesso team di Harman aveva indicato: basare lamodellazione e l’ottimizzazione non su un’idea – il parallelepipedoperfetto – ma su un’ambiente reale, con forme architettoniche,dimensioni e arredo che ritroviamo nelle più diverse abitazioni,compresi gli eventuali trattamenti acustici.I subwoofer di qualsiasi dimensione e tipo – ad esempio dapavimento, integrati nell’arredo, in pareti o soffitti oppure sottoal pavimento – vengono inseriti nel modello 3D del softwareBassCAMP solo se possono essere nascosti o, almeno, integratinell’architettura ambientale secondo soluzioni condivise conil proprietario dell’abitazione. L’idea è quella di aumentare ilnumero di posizioni utili per il subwoofer, e quindi il numero dicombinazioni praticabili dalla workstation per simulare le migliorisoluzioni e una classifica di merito.Tecnicamente il file CAD tridimensionale, una volta esaminato econdiviso dall’integratore e dal proprietario dell’abitazione, vieneportato ad un livello industriale attraverso un’analisi a elementifiniti (FEA) e alla tecnica di fluidodinamica computazionale (CFD) per simulare il comportamento acustico a bassafrequenza in tutta la stanza. I dati vengonotrattati successivamente con strumenti diottimizzazione matematica per definire il layoutpiù opportuno – la quantità ottimale, le posizionie il parametri elettronici (guadagno, polarità,di ritardo) dei singoli subwoofer – che creerà lamassima uniformità possibile fra tutte le sedute,estesa si tutta la gamma bassa.


Il software BassCAMP

Questo metodo è stato definito da Keith YatesDesign funzione ‘BassCAMP’ (ComputationalAcoustic Modeling Program). Si tratta di un toolunico, per la modellazione e l’ottimizzazionedi ambienti di qualsiasi dimensione, forma,costruzione o grado di complessità geometrica. Èin grado di ‘vedere’ porte, finestre, file di sedute,soffitti, muretti divisori per interni, nicchie,aperture in corridoi e altri spazi contigui, oltre adaltri elementi che influenzano le prestazioni delsuono a bassa frequenza.Sono stati sviluppati due diversi livelli dianalisi: Standard e Avanzato, in funzione delbudget di spesa e del numero di posizionidisponibili per i subwoofer.L’analisi BassCAMP Standard definisce laconfigurazione (combinazione) più efficientequella che impiega fino a 4 subwoofer tra le 15posizioni possibili.La BassCAMP Avanzata si spinge oltre e indicaun massimo di 8 subwoofer da disporre fra le 30posizioni possibili.


BassCAMP: i punti di forza

Per riassumere, ecco quali sono gli aspetti salienti e i punti di forza dello strumento.
•Ottenere una regolare risposta alle basse frequenze in una sala home theater residenziale. Obiettivo: riportare ad un livello più gestibile i diversi livelli delle basse frequenze misurati alle diverse sedute. Dai circa 40 dB misurati ai 6-10 dB: livello che può essere ulteriormente corretto successivamente, per ogni posizione di seduta, con l’impiego di un equalizzatore.
• Il problema è trattato nei documenti AES (Audio Engineering Society, www.aes.org), definito dalle leggi della fisica, e rafforzato da note tecniche sviluppate da esperti di ricerca del nostro settore.
• KYDG, Keith Yates Design, ha affrontato il problema oltre dieci anni fa, adottando un approccio che sfrutta algoritmi di ottimizzazione, su misura per la sala,utilizzando la modellazione a elementifiniti (FEM) in combinazione con l’analisifluidodinamica spaziale.
• Ogni sala possiede la sua soluzione dedicata, definita in base a dimensioni, posizioni della seduta e dettagli architettonici.
• I dealer e l’installatore contribuiscono, in remoto, all’esecuzione di tutte le fasi del progetto, utilizzando i file CAD della sala oppure una documentazione fotografica completa di tutti i dettagli dimensionali.
• Attraverso l’impiego di workstation dedicate, vengono esaminate tutte le posizioni più efficaci per il posizionamento dei subwoofer: il modello applicato genera milioni di configurazioni possibili per individuare le opzioni più performanti.
• Al Dealer/Installatore viene reso disponibile un report completo, composto dalla spiegazione della metodologia basata sulla fisica, un set completo di dati e disegni 3D che indicano il numero e la posizione raccomandata dei subwoofer, i ritardi di ciascuno di loro, i livelli e le regolazioni della polarità.
• Una spiegazione chiara e comprensibile, argomentata anche sul piano tecnico, contribuisce ad aumentare la loro credibilità.


La relazione

I risultati della simulazione vengono presentati in un documento rilegato di circa 60 pagine che identifica la specifica configurazione dei subwoofer con le dimensioni, dedicato ai dealer e ai professionisti dell’installazione. Il documento fornisce anche i seguenti contenuti:
– classifica delle combinazioni più performanti, rispetto allo scostamento spaziale medio (MSD);
– elenco delle impostazioni ottimali per ogni subwoofer (guadagno, polarità, ritardo);
– indicazione di aree specifiche in pareti e soffitti particolarmente efficaci per il posizionamento di assorbitori a bassa frequenza, per controllare ulteriormente la risposta dei bassi;
– due grafici a colori, prima e dopo l’intervento, specifici sulla pressione sonora per mettere in condizione il cliente di ‘vedere’ cosa potrà sentire con le proprie orecchie.
Questo strumento, sulla base di moderni algoritmi di modellazione e ottimizzazione personalizzata, di fisica applicata, consente a rivenditori e integratori di poter accedere ad una soluzione professionale, specifica per ambienti domestici, e affrontare una problematica sempre presente nel mondo dell’audio, da oltre un secolo. Trasparente a tutti i brand presenti sul mercato, BassCAMP è compatibile con qualsiasi marca o modello di subwoofer, caratterizzati da una sufficiente risposta piatta e una bassa distorsione. È uno strumento concepito appositamente per suggerire la miglior combinazione di subwoofer, tra le centinaia di migliaia disponibili, per ottenere una migliore uniformità, da seduta a seduta, affinché si possa intervenire con maggiore efficacia attraverso circuiti elettronici integrati nella componentistica oppure equalizzatori esterni.
Nonostante ogni ambiente possieda caratteristiche di unicità, l’esperienza dimostra che è possibile ridurre da 30 a 3/4 dB la diversa pressione sonora alle basse frequenze, da seduta a seduta.


Conclusioni

I bassi chiari e forti sono alla base di qualsiasi impianto di altoprofilo, capaci di assicurare il miglior realismo, anche durantela visione dei film. Con BassCAMP e FLO questo realismo vienemigliorato per rendere gli spettatori più partecipi all’azione,indipendentemente dalla posizione della seduta.Si ringrazia per il contributo Mark Glazier, Director Operations andBusiness Development, Keith Yates Design, www.keithyates.com