AFFIDABILITA' E PRECISIONE DELLE MISURE ACUSTICHE EFFETTUATE UTILIZZANDO SCHEDE AUDIO

Transcript

1 AFFIDABILITA' E PRECISIONE DELLE MISURE ACUSTICHE EFFETTUATE UTILIZZANDO SCHEDE AUDIO Paolo Guidorzi, Valerio Tarabusi Universita' di Bologna DIENCA 1. INTRODUZIONE L'utilizzo di schede audio per computer e' oggi quasi d'obbligo per il ricercatore e lo sperimentatore nel campo dell'acustica. I produttori di tali tipologie di periferica forniscono alcune specifiche, tra cui la risposta in frequenza, la distorsione e il rapporto Segnale/Rumore. Questi dati pero' non forniscono sufficienti informazioni riguardo all'uso di tali schede per scopi professionali o come strumento di misura. In questo lavoro si verificano sperimentalmente le reali possibilita' di utilizzo di tali schede, effettuando una serie di prove comparate tra diversi modelli e confrontando i risultati ottenuti da misure effettuate contemporaneamente con apparecchi di misura per uso specificatamente acustico. 2. METODOLOGIA Sono state prese in considerazione 5 schede audio, di marche e tipologie diverse e di classe medio-alta, come riportato in tabella 1. PRODUTTORE MODELLO BIT AD/DA MAX FREQ. CAMP. TIPO MIDIMAN / M-AUDIO DELTA khz PCI ECHO DIGITAL AUDIO LAYLA khz PCI TURTLE BEACH / VOYETRA PINNACLE khz ISA EGO-SYS U2A khz USB EGO-SYS WAMI RACK khz PCI Tabella 1 Le schede audio prese in esame Per ottenere risultati confrontabili, tutte le prove sono state eseguite alla frequenza di campionamento di 48 khz e alla risoluzione di 16 bit. La risposta in frequenza delle varie schede e' stata calcolata a partire dalla misura di risposta impulsiva in configurazione catena chiusa (uscita collegata direttamente all'ingresso).

2 Figura 1 Risposte impulsive delle schede audio Figura 2 Risposte in frequenza delle schede audio In figura 1 si possono osservare gli impulsi, ottenuti da misure con tecnica MLS su ogni singola scheda e riportati per comodita' su un unico grafico. Dall'analisi spettrale delle risposte impulsive si sono ottenute le risposte in frequenza delle varie schede in modalita' registrazione/riproduzione (figura 2). L'ampiezza delle risposte ottenute e' stata normalizzata, per meglio comparare i risultati. Come si puo' osservare, tutte le schede risultano avere prestazioni piu' che accettabili, in termini di piattezza della risposta. Ma questo dato non basta per caratterizzare la periferica e garantire che fornisca risultati corretti in misure acustiche. Si e' proceduto quindi ad effettuare alcune prove comparate. Si sono analizzate le caratteristiche spettrali di alcuni sistemi di altoparlanti, fornendo il segnale proveniente da un microfono in ingresso sia a un analizzatore di classe 1 Larson-Davis 2900B, e contemporaneamente alla scheda audio. Il microfono, tra le singole prove con le diverse schede, e' stato spostato, quindi il confronto non e' stato effettuato tra le diverse misure, ma tra gli spettri misurati con l'analizzatore e quelli misurati dalla scheda in esame.

3 La prima prova ha previsto l'emissione di rumore bianco e l'analisi dello spettro in terzi d'ottava mediato. In figura 3 e' riportata la differenza tra i valori ottenuti dall'analizzatore e dalle schede. Una prova analoga e' stata effettuata sostituendo il rumore bianco con la somma di toni puri a 100, 1000, 2000 e 4000 Hz. In figura 4 e' riportata la differenza tra i valori delle bande di terzo d'ottava con centro banda corrispondente alle frequenze dei toni puri, misurate dall'analizzatore e dalle schede. Prima di ogni prova e' stata eseguita la calibrazione sia dell'analizzatore che del software utilizzato per la misura con le schede. Figura 3 Differenze tra le misure con analizzatore e schede audio (rumore bianco) Figura 4 Differenze tra le misure con analizzatore e schede audio (toni puri) Le differenze sono contenute in un range di +/- 0.5 db. Misure comparate sono state eseguite, sempre secondo la stessa configurazione di misura, effettuando un'analisi in banda stretta. L'analizzatore permette una risoluzione massima della FFT di 800 punti, mentre con le schede audio e' stata utilizzata una risoluzione di 1024 punti, quindi i due spettri misurati non sono perfettamente sovrapponibili. In particolare per questo confronto occorre tenere conto del cosiddetto effetto palizzata e non e' possibile effettuare la sottrazione dei valori misurati come nel caso delle bande di terzo d'ottava. Figura 5 Confronto spettri in banda stretta. Scheda DELTA 44

4 Figura 6 Confronto spettri in banda stretta. Scheda LAYLA Figura 7 Confronto spettri in banda stretta. Scheda PINNACLE Figura 8 Confronto spettri in banda stretta. Scheda U2A Figura 9 Confronto spettri in banda stretta. Scheda WAMI RACK 24

5 Nelle figure 5, 6, 7, 8 e 9 si puo' comunque osservare una buona sovrapponibilita' degli spettri. Si noti nella figura 9, come anche nelle misure in terzi d'ottava (figure 3 e 4), relativamente alla scheda WAMI RACK 24, che questa presenta alcuni problemi, dovuti pero' a driver software ancora non del tutto affidabili. Una seconda serie di confronti e' stata effettuata tra una delle schede provate e che ha fornito i risultati complessivamente migliori, la LAYLA, e il sistema di acquisizione MLSSA. Sono state effettuate alcune misure di risposte impulsive con tecnica MLS, con i due sistemi, all'interno di un ambiente chiuso e si sono confrontati i parametri acustici calcolati secondo le direttive della normativa ISO Le misure sono state effettuate a parita' di tutte le condizioni al contorno, quali la posizione del microfono e della sorgente, e dei parametri di misura (tra cui l'ordine del segnale MLS e la frequenza di campionamento). Figura 10 Confronto tra spettri misurati con scheda LAYLA e MLSSA In figura 10 si puo' vedere il confronto tra spettri ottenuti da due risposte impulsive misurate rispettivamente con la scheda LAYLA e il sistema MLSSA. Si nota una quasi perfetta rispondenza. La misura con la MLSSA, anzi, presenta una banda utilizzabile anche minore di quella della LAYLA, dovuta alla frequenza di taglio dei filtri antialiasing, fissata dal MLSSA a 1/3 della frequenza di campionamento (16 Khz). Figura 11 Confronto di T20, schede LAYLA e MLSSA

6 Figura 12 Confronto di EDT, schede LAYLA e MLSSA Figura 13 Confronto di C80, schede LAYLA e MLSSA Figura 14 Confronto di D50, schede LAYLA e MLSSA Nelle figure 11, 12, 13 e 14 si possono osservare i parametri acustici, calcolati in terzi di ottava, a partire da misure effettuate con i due sistemi. La corrispondenza e' molto buona. 3. RISULTATI E CONCLUSIONI Dalle misure effettuate risulta che le schede audio di fascia alta possono essere utilizzate per usi acustici, con approssimazioni piu' che accettabili in ambito di ricerca e laboratorio. I migliori risultati sono stati ottenuti dalle schede la cui parte di conversione A/D e D/A e' esterna allo chassis del computer (come ad esempio la Layla o quelle interamente esterne al computer e connesse tramite porta USB). La risoluzione effettiva degli apparati digitali dipende infatti da vari fattori, e viene sensibilmente ridotta dalla grande mole di segnali spuri in vicinanza delle varie schede all'interno del computer. 4. BIBLIOGRAFIA [1] D'Appolito J., Testing Loudspeakers, (Audio Amateur Press, Peterborough, 1998) [2] Aude A.J., Audio Quality Measurement Primer, Harris Semiconductor App. note [3] Cabot R.C., Fundamentals of Modern Audio Measurement, J. Audio En. Soc., Vol 47, N. 9, 1999