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Loudness, una sensazione soggettiva del volume

Massimo Piantini on 16 febbraio 2015 - 23:01 in Blog, Reviews

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Loudness, una sensazione soggettiva del volume

Di Stefano Dominici

Con il termine Loudness si intende l’intensità della sensazione uditiva. Una definizione più specifica potrebbe essere “la qualità soggettiva attribuita ad un suono o
l’intensità della sensazione sonora provocata da quel suono stesso”.

In questo modo potrebbe essere immediato associare il concetto di loudness all’intensità del suono ed immaginare una relazione lineare tra intensità oggettiva e soggettiva. In realtà, la relazione che lega l’intensità fisica di un suono al risultato percettivo da esso dipendente, non è immediatamente traducibile in termini di semplice linearità. In pratica loudness e intensità sono aspetti differenti del suono. L’intensità è una quantità fisica, una misura diretta della grandezza del segnale d’ingresso che arriva al nostro sistema uditivo; il loudness è una percezione soggettiva attribuita allo stimolo sonoro.
La misurazione dell’intensità sonora (o pressione sonora) è un parametro fisico, sicuramente meno difficile da quantificare rispetto ad una risposta psicologica come la sensazione che attribuiamo ad uno stimolo. A questo punto viene naturale chiedersi come si misura questa sensazione? Si può ricorrere al metodo adattivo; si confrontano due stimoli sonori proposti all’ascoltatore in ordine casuale, per determinare quale dei due è percepito in maniera più forte. Può anche essere utilizzato il metodo di comparazione “Multi-tracking” che prevede l’ascolto di due o più sequenze sonore contemporaneamente.
Entrambi i metodi prevedono un sistema di assegnazione del livello di loudness percepito, secondo la suddivisione in Categorical Unit (CU), utili per quantificare la percezione dello stimolo. Bisogna però considerare che, dai test psicoacustici, spesso si ottengono risultati principalmente teorici; questo significa che non rappresentano o non riescono a rappresentare valori ideali per tutte le situazioni di ascolto. Alcuni standard di riferimento per definire modelli di loudness per suoni variabili nel tempo, sono stati proposti verso la fine degli anni 70 da Zwicker e Moore. Queste specifiche sono state successivamente incluse nelle normative ISO e ANSI, ma non sono ancora in grado di teorizzare un metodo efficacie di valutazione per una sensazione così soggettiva.

 

 

Loudness Rapporto tra Loudness e Intensità

Rapporto tra loudness e intensità.

Per ottenere una valutazione più accurata dobbiamo fare riferimento alla scienza della piscoacustica e menzionare, almeno in breve, quali sono le grandezze utili per assegnare dei valori fisici ma pur sempre vincolati alla soggettività di ogni ascoltatore. Il Phon rappresenta il livello di sensazione sonora. In particolare definisce il livello di pressione di un tono puro ad una
determinata frequenza, al fine di provocare la medesima sensazione uditiva in riferimento alla frequenza di 1 kHz.
Se il valore della pressione sonora corrisponde alla curva isofonica di 40 phon, un suono puro con frequenza pari a 1000 Hz equivale al valore di 40 dB; mentre per esempio alla frequenza di 500 Hz equivale a circa 45 dB. In questo modo è facile capire che il risultato fornisce un’unità di misura in cui la sensazione di loudness può essere confrontata tra suoni di frequenze diverse, ma pur sempre in relazione al frequenza standard di 1000 Hz.
Applicando questo metodo, si determinano le curve isofoniche, ossia valori di uguale sensazione percepita. Il phon è quindi un parametro che rappresenta l’udibilità soggettiva dell’orecchio umano, che in determinati casi, non discrimina la differenza oggettiva che due suoni hanno tra loro. Nello stesso periodo in cui Fletcher e Munson determinavano le curve isofoniche, Stevens iniziò un’ampia sperimentazione nel tentativo di riprodurre queste sensazioni in una scala, arrivando a definire un’unità di misura chiamata Son e definita come: “loudness di un tono di 1000 Hz a 40 dB”. Egli riuscì così a determinare il rapporto tra loudness e intensità del suono, in relazione ad una costante strettamente soggettiva e influenzata da diversi fattori casuali, confermando in un certo senso l’imprevedibilità della valutazione personale di ogni individuo.

 

 

 

Loudness Curve di Equal Loudness

Curve di equal loudness.

Secondo le ricerche fino ad oggi compiute, esistono due unità di misura per la sensazione di loudness che dipendono dal modo in cui la si vuole misurare. Se si confronta lo stimolo sonoro ad un tono di 1 kHz a 40 dB, si ottiene una misura in Son (N), perciò lo stimolo sonoro produce la sensazione sonora corrispondente a N-volte rispetto allo stimolo di riferimento.

Se invece si misura la sensazione di loudness paragonandola ad un tono di 1 kHz, il livello di loudness (LN) è definito come il livello di pressione sonora dello stimolo di riferimento che restituisce la stessa percezione sonora in questo caso espresso in Phon. Così come sono state definite, la relazione tra questi unità di misura è espressa nel grafico sottostante, tenendo bene a mente che 40 Phon corrispondono a 1 Son.

 

 

 

Loudness Relazione tra Phon e Son

Relazione tra Phon e Son.

 

 

E’ altrettanto importante capire come il nostro sistema uditivo reagisce agli stimoli sonori. Teoricamente l’orecchio umano può percepire frequenze comprese tra 20 Hz e 20 kHz. Questo limite superiore tende ad abbassarsi con l’avanzare degli anni, infatti soggetti adulti non sono in grado di udire frequenze oltre i 16 kHz. Inoltre l’orecchio di per sé non è in grado di rispondere alle frequenze superiori o inferiori all’intervallo indicato, anche se le frequenze più gravi possono essere comunque percepite sotto forma di vibrazioni, se sufficientemente potenti in ampiezza.
Nel tratto di massima sensibilità (intorno ai 2-3 kHz) l’orecchio ha una risoluzione di circa 2 Hz che diminuisce progressivamente se ci si allontana dalla zona di intelligibilità del parlato. Le frequenze collocate tra 100 e 5000 Hz sono importanti per il linguaggio e lo sono tanto per il sistema uditivo che per il meccanismo di produzione.
La frequenza è un parametro che incide nella percezione del loudness e fornisce il grado di gravità o acutezza che un ascoltatore attribuisce al suono. Solitamente a parità di intensità, quando si aumenta la frequenza, si avverte un aumento della sensazione di loudness, viceversa nel caso in cui la si diminuisca. Tuttavia anche in questo caso la relazione non è lineare, ossia ad un aumento costante della frequenza non corrisponde un costante aumento del loudness. Per esempio al di sotto della frequenza di 1000 Hz, la percezione del loudness per toni puri, è abbastanza lineare, mentre per le alte frequenze la relazione non è più lineare ed occorre una grande variazione di frequenza per produrre una variazione di loudness.

 

 

 

Loudness Percezione in frequenza dell'orecchio umano

Percezione in frequenza dell’orecchio umano

A questo punto entra in gioco l’intervallo dinamico (dall’inglese dynamic range) ovvero il rapporto tra il valore massimo possibile e quello minimo di una grandezza variabile, misurato su scala logaritmica. Per dare un’idea, la gamma dinamica dell’udito umano ha un’escursione di circa 140 dB, la musica percepita in una sala da concerto può toccare il valore di 80 dB, mentre il parlato è normalmente compreso in un range di circa 50 dB. Nel dominio analogico, l’intervallo dinamico è dato dalla differenza tra la massima e la minima ampiezza che un dato dispositivo può registrare, in rapporto all’ampiezza media del rumore di fondo.
Nel dominio digitale la gamma dinamica esprime l’escursione disponibile per la rappresentazione del segnale audio, ed è limitata dall’errore di quantizzazione. Il compact disc lavora con 16 bit di risoluzione ottenendo una gamma dinamica teorica di 98 dB per i segnali sinusoidali. La gamma dinamica percepita può arrivare a valori di 120 dB utilizzando processi di Dithering per ridurre il rumore di fondo e sfruttare al meglio la risposta in frequenza dell’orecchio umano. L’ audio digitale attuale che lavora con 20 bit è teoricamente in grado di sfruttare una gamma dinamica di 120 dB, allo stesso modo, l’audio digitale 24 bit ha un estensione dinamica fino a 144 dB.

 

 

Loudness Dynamic Range Digitale

Dynamic range digitale.

 

 

 

Se prendiamo come esempio i primi dischi 78 giri, scopriremo che avevano una gamma dinamica di circa 40 dB, ben presto ridotta a 30 dB a causa del ripetuto utilizzo del supporto. I migliori nastri magnetici degli anni 50, avevano una gamma dinamica di 60 dB, anche se moderni esperti di restauro audio affermano che la gamma utilizzata fosse compresa tra 45-50 dB. Sembra quindi che la gamma dinamica dei sistemi audio digitali possa superare quella dei sistemi analogici; tipicamente un convertitore analogico-digitale a 16 bit può avere una gamma dinamica tra 90 al 95 dB. In confronto, un sistema professionale di registratore su nastro da 1/4 di pollice ha un range dinamico compreso tra 60 e 70 dB alla potenza nominale del registratore.
Se consideriamo il rapporto segnale-rumore del nastro come l’equivalente in gamma dinamica del convertitore, il rumore di banda introdotto dal sistema analogico equivale all’errore di quantizzazione del convertitore analogico-digitale. Il vantaggio dei sistemi digitali è quello di offrire una maggiore escursione dinamica; la risoluzione del segnale è teoricamente infinita, se utilizzato con il processo di dithering corretto.
Al momento dell’introduzione del Compact Disc, il disco in vinile LP (Long Play) era al culmine del suo sviluppo. Ciò nonostante, ha continuato a soffrire di una varietà di limitazioni; per esempio l’immagine stereofonica spesso non era costituita da componenti discrete del canale destro e sinistro. Questo significa che il segnale di ciascun canale in uscita conteneva una piccola quantità del segnale dall’altro canale, con problemi di diafonia per le frequenze più elevate.
Alcune macchine di produzione dei glass master erano in grado di produrre 30/40 dB di separazione stereo a 1000 Hz, ma le testine del giradischi avevano un minor rendimento in riproduzione.
Nel 1970, la BBC determina con una serie di prove tecniche che 20-25 dB possono essere sufficienti per la corretta separazione del segnale stereo. Successivamente, nell’articolo intitolato Il potenziale della gamma dinamica del fonografo, Ron Bauman afferma di essere riuscito a misurare la gamma dinamica di un LP e di aver determinato un intervallo dinamico “uguale o migliore del risultato teorico che un CD possa raggiungere. Il miglior valore riscontrato supera il range dinamico di 96 dB del CD di oltre 16 dB”. Una revisione dettagliata è stata pubblicata dalla rivista Stereophile, riconosciuto come punto di riferimento per il settore audiofilo.

 

 

 

 

Loudness Dynamic range dei supporti audio

Dynamic range dei supporti audio.

 

Sappiamo che in generale le persone rispondono più facilmente agli stimoli sonori con ampiezza maggiore, innescando così il pensiero forte = migliore. Da quanto detto finora abbiamo sicuramente capito che la sensazione di loudness è aspetto alquanto imprevedibile a seconda della tipologia di ascoltatore. Allora è un dato di fatto che dipenda da una valutazione soggettiva, ma come influisce al nostro modo di ascoltare la musica? Lo chiediamo ai nostri lettori.

 

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