Marzo 2016
Resolution Magazine
Analisi delle basse frequenze per la progettazione degli studi di registrazione
Come tutti sanno, i problemi di più importanti da risolvere in una control room, e negli studi di registrazione in generale, sono legati alle basse frequenze. DONATO MASCI di Studio Sound Service spiega il suo approccio.
1. Introduzione
In generale, per capire i fenomeni a bassa frequenza, ci si deve sempre ricordare di avere a che fare con onde sonore le cui dimensioni sono paragonabili a quelle delle stanze stesse e quindi se “entrano perfettamente” dentro di esse, possono risuonare. Per questo motivo la zona dello spettro sotto i 200 Hz viene solitamente chiamata “zona modale”, e viene trattata con quella che si chiama “wave acoustics”.
In un ambiente delle dimensioni di una tipica control room, il campo riverberante a bassa frequenza è direttamente dipendente dai modi di risonanza. In generale, siamo tutti abituati a vedere i grafici dei tempi di riverberazione in banda di 1/3 ottava, ma se potessimo valutare i tempi di decadimento modale (ossia di un singolo modo di risonanza, MT60) noteremmo che in bassa frequenza questi determinano perfettamente i tempi di riverberazione. Anche ad alta frequenza il tempo di riverberazione dipende dalle risonanze della stanza, ma queste sono un numero elevatissimo, che non può essere trattato in modo discreto, ma soltanto statistico. Ecco che qui possiamo usare simulazioni come il ray-tracing (che è il metodo di simulazione più comune dei CAD acustici) e formule come la famosa legge di Sabine.
Alle basse frequenze invece non si può usare la statistica, ma, per dirla in termini fisici, il campo è “quantizzato”, ovvero le risonanze sono per lo più isolate e ben distinguibili. A seconda della risonanza, l’energia sonora (e quindi la pressione) non è omogenea nello spazio e questo fatto è di grande importanza perché ha una conseguenza fondamentale – lo stesso materiale fonoassorbente, se posto in un punto di massima pressione, è maggiormente efficace, in altre parole non si può quantificare l’assorbimento se non si conosce la posizione dell’assorbitore rispetto alle risonanze della stanza.
Nella progettazione degli studi di registrazione è quindi fondamentale conoscere con precisione le risonanze della stanza, e questo è semplice per le sale rettangolari poiché esiste una formula analitica che mette in relazione le frequenze di risonanza con le 3 dimensioni spaziali, ma non è così banale per tutte le altre geometrie.
Alton Everest in “Master Handbook of Acoustics” parla dei modi per sale non rettangolari dicendo: "I benefici acustici dovuti all'utilizzo di stanze non rettangolari è controverso. Come nota Gilford, inclinare le pareti per eliminare superfici parallele non rimuove difetti timbrici; li rende soltanto più difficili da prevedere."
E anche: "Le proporzioni di una stanza rettangolare possono essere selezionate per eliminare, o al massimo ridurre, le degenerazioni, mentre, nel caso delle stanze non rettangolari, un esame a priori delle degenerazioni è difficile. La costruzione di un campo acustico asimmetrico generato dall'inclinazione delle pareti introduce imprevedibilità nel progetto."
Philip Newell (Recording Studio Design) invece dice: "L'effetto di angolare le pareti di una stanza è solamente utile nella riduzione dei flutter echo relativi ai problemi tra superfici rigide ad alta frequenza. Appena una stanza assume proporzioni non rettangolari, e non ha superfici perfettamente rigide, non esistono formule per calcolare accuratamente i modi."
E ancora: "(...) Il livello di controllo dell'acustica interna che è stato introdotto nella stanza assorbe i modi talmente tanto che la forma della stessa non è più importante".
Da queste affermazioni, tutte precise e corrette, si capisce bene che, storicamente, le sale non rettangolari sono sempre state viste con una certa insicurezza da parte dei progettisti acustici, probabilmente perché in effetti non avevano gli strumenti giusti per analizzarle.
Ora i software FEM (Finite Element Method) sono di dominio comune e possono essere usati per vedere le risonanze modali delle stanze, per simulare l’interazione di una sorgente sonora con la stanza, la risposta in frequenza nel punto (o nei punti) di ascolto e l’efficienza degli assorbitori. Inoltre, con alcuni di questi software, si possono anche fare ottimizzazioni (ad esempio scegliere la giusta quantità di materiale assorbente, o il posizionamento migliore dei monitor e dei punti d’ascolto) e, per casi semplici, se si effettua una misura di riverberazione a stanza vuota, si può anche capire che tipo di impedenza hanno le singole pareti.
Effettivamente, il primo problema con cui mi sono scontrato utilizzando questi software (che non sono nati per l’acustica e quindi non hanno ancora librerie particolarmente utilizzabili anche per casi semplici) è quello di capire l’impedenza delle singole pareti, che determina il grado di isolamento acustico, ma anche la quantità di energia che resta all’interno della stanza, e quindi risuona.
Ho osservato e verificato notevoli variazioni al campo acustico con pareti di tipo differente: una muratura o un sistema a secco con cartongesso comportano modifiche sostanziali alla riverberazione e alla distribuzione modale. Un’altra cosa importante è che quando viene introdotto un assorbimento specifico nella stanza, come un risonatore o uno strato importante di materiale poroso, il campo acustico cambia – ma diversamente a quanto si potrebbe immaginare, non soltanto diminuiscono i massimi e i minimi delle risonanze, ma queste si spostano anche in frequenza. Anche questi fenomeni si possono facilmente notare con uno studio al FEM.
2.1 Montaggio a incasso (Flush mount) – effetti a fase minima e non minima
Il primo risultato che si mostra effettuando lo studio al FEM di una regia, sono gli effetti della presenza o meno di un flush-mount per main monitor.
Nel grafico in figura 1. la linea rossa è relativa alla risposta al punto d’ascolto di un big monitor flush-mounted, la curva blu invece rappresenta il caso in cui il monitor non è incassato. La stanza non è trattata e la differenza è notevole, la linearità è già sufficiente per il caso flush-mounted, ma soprattutto si nota una perdita di energia sonora notevole nella curva blu per frequenze attorno ai 35, 70 e 100 Hz. Con questo metodo abbiamo quindi finalmente “visto” gli effetti non-minimum phase dati dall’interazione dei monitor con la stanza, di cui abbiamo ampiamente parlato negli articoli precedenti (in particolare in “Monitors in a room” – Resolution 13.3, April 2014). In questo caso, se non si volesse fare un flush-mount, l’unico modo per salvare la risposta è quello di distanziare maggiormente i monitor dal retro in modo da far scendere le cancellazioni sotto gli 85 Hz e usare un subwoofer con crossover.
2.2 Analisi delle Bass-trap
Un’altra cosa molto interessante da vedere è come cambia il tempo di riverberazione in una stanza se si pone una basstrap in un lato o in un angolo. Ho simulato i modi di risonanza in una stanza dalle dimensioni ottimali (Louden 1/1.4/1.9, ossia H=3.4m, W=4.76m, L=6.46m) dapprima vuota, poi inserendovi una basstrap (un parallelepipedo di materiale poroso di dimensioni 40x40 cm a tutt’altezza) a metà del lato lungo e infine spostandola nell’angolo. In figura 4. si mostrano i tempi di decadimento per singolo modo (che si possono riportare ai tempi di riverberazione della stanza) e si vede come la stessa basstrap lavori in modi molto differente nelle due configurazioni, restituendo tempi di riverberazione molto diversi. In figura 5. si mostra l’assorbimento A [m2, metric sabin] della stessa bass trap nelle due configurazioni, frequenza per frequenza. Si vede che per alcuni modi di risonanza (in particolare quelli assiali longitudinali e trasversali) la side trap è molto performante, ma in generale la corner trap lavora meglio e in modo più omogeneo su tutto lo spettro. L’ultima cosa interessante da notare è che con l’inserimento anche di una singola bass trap il campo acustico della stanza si è completamente trasformato – lo si vede anche dalla figura 3., ma in particolare in figura 6. si mostra lo shift in frequenza che hanno subito i modi di risonanza. Quando l’assorbimento è pari a quello di una control room i modi cambiano radicalmente, si combinano e degenerano tra loro. È molto difficile infatti, se non in bassissima frequenza, riconoscere lo stesso modo di risonanza confrontando una simulazione pre e post trattamento acustico.
Una delle domande più frequenti, quando faccio i seminari sull’acoustic design, è come fare a sapere quanto assorbe effettivamente una basstrap (che sia di materiale poroso o un risonatore), e da questo studio si capisce che effettivamente non si può dare un coefficiente alpha ad un dispositivo del genere, perché le sue performance sono strettamente dipendenti dalla stanza e dalla posizione in cui si inserisce. L’unica stima precisa che si può fare è con un software come questo, e, in effetti, non è affatto semplice trovare i modelli corretti di poroacustica per simulare il comportamento del materiale assorbente.
2.3 Stanze rettangolari VS non rettangolari
L’ultimo studio che si mostra, si riferisce alla distribuzione delle onde stazionarie nella stanza. Per questo è stata confrontata una sala che ha dimensioni considerate ottimali (la stessa Louden room) con una di dimensioni identiche dove però i lati sono inclinati in modo simmetrico tra loro. La prima cosa che si mostra in Fig.7. è l’immagine della “mesh” che il software FEM crea per fare la sua elaborazione. La mesh è fatta di tetraedri e la loro dimensione dev’essere correlata alla lunghezza d’onda da analizzare. Trattandosi di basse frequenze la nostra mesh può non essere così fitta. Lo stesso software ha molti più problemi infatti ad analizzare frequenze più alte (per cui però possiamo utilizzare un ray-tracing).
Nel grafico in Fig. 8. si riporta la risposta in frequenza delle due sale in configurazione trattate (un semplice assorbimento sul retro e sul soffitto, e nel caso della rettangolare, anche sugli angoli davanti) e non trattate. Si nota che la stanza “slanted” ha più energia sonora alle basse e che il trattamento, in entrambi i casi, serve a minimizzare la cancellazione a 40 Hz e a linearizzare la risposta. Per entrambe le sale, anche senza sapere il tempo di riverberazione, che è ovviamente molto più lungo nel caso untreated, il trattamento aiuta a linearizzare la risposta in frequenza e porta entrambe le sale a livelli professionali (±3dB) minimizzando le cancellazioni. È errato pensare che una sala di dimensioni ottimali abbia già una risposta perfetta senza assorbimento, e da questo confronto si può notare come si possano ottenere dei risultati analoghi o anche migliori, con altri design, rendendo tra le altre cose ancora più efficienti i monitor a bassa frequenza.
Nelle figure 9. 10. e 11. si mostrano invece la pressione acustica e l’SPL di alcuni dei primi modi di risonanza per le due stanze nelle configurazioni trattate e non trattate. Si nota ovviamente la diminuzione del tempo di decadimento modale nel caso trattato, lo shift in frequenza della frequenza di risonanza, ma soprattutto la distribuzione della pressione sonora in modalità più omogenea nella stanza nel caso trattato, e questo è utile ai fini della progettazione dove si devono proprio minimizzare gli effetti delle onde stazionarie diminuendo la discrepanza tra i livelli sonori che si percepiscono nei punti di massimo e minimo della stanza. Questi sono alcuni dei pochi modi che si riescono a riconoscere a stanza trattata, infatti sopra i 50 Hz, anche con questo semplice trattamento acustico, i modi sono completamente degenerati e abbattuti, e quindi la pressione sonora è distribuita in modo pressoché omogeneo in tutto lo spazio.
3. Conclusioni
Sulla base di quanto esposto si può affermare che il FEM sia uno strumento davvero valido per la progettazione acustica, e fornisce ai progettisti acustici un supporto notevole su un range dello spettro in cui finora non si poteva avere certezze, se non seguendo alla lettera dei design prestabiliti. La grande innovazione è che con questi metodi di simulazione si possono costruire sale con un buon ascolto anche in situazioni poco convenzionali e studiare anche correzioni acustiche alternative e innovative.
Footnote
Donato ringrazia Valentina Cardinali and Roberto Magalotti (B&C Speakers), e la sua assistente Cecilia Torracchi per le utili conversazioni e scambio di idee..