SpectraPLUS, SpectraPRO, SpectraRTA : L analizzatore di spettro nel PC Andrea Cerniglia hilbert@venus.it

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1 SpectraPLUS, SpectraPRO, SpectraRTA : L analizzatore di spettro nel PC Andrea Cerniglia hilbert@venus.it (Estratto da Backstage n.9, maggio-giugno 1998, Gruppo editoriale Jackson) L analizzatore di spettro virtuale Il vertiginoso proliferare di microprocessori sempre più veloci ed efficienti che ha caratterizzato questi ultimi anni, ha consentito lo sviluppo di sofisticati programmi applicativi, impensabili fino a poco tempo fa. Una delle applicazioni rese possibili dalla recente evoluzione dei personal computer è l analisi digitale dei segnali per mezzo di softwares dedicati che, acquisendo detti segnali tramite una scheda inserita nel computer, consentono di calcolare lo spettro; in altre parole è possibile eseguire in tempo reale la scomposizione in frequenza di un segnale, nella pozione di spettro compresa tra il limite inferiore della scheda audio e 22 khz. Rientrano in questa tipologia di prodotto i softwares SpectraPLUS, SpectraPRO e SpectraRTA, forniti gratuitamente in prova per trenta giorni a tutti gli abbonati a Strumenti Musicali, e contenuti all interno del doppio Compact Disc SEGNALI DI TEST a loro inviato. A questo proposito vale la pena ricordare che all interno del Compact Disc sono presenti 98 tracce audio, contenenti diverse tipologie di segnali di prova; le tracce audio presenti nei CD sono state pensate e realizzate al fine di consentire, con l ausilio di un fonometro o dei softwares appena citati, l equalizzazione di un ambiente, l analisi acustica di alcune sue caratteristiche, la verifica di alcune prestazioni di apparecchi in bassa frequenza. SpectraPLUS, SpectraPRO, SpectraRTA Con i programmi descritti, è possibile implementare, su un personal computer dotato di scheda audio standard, un analizzatore di spettro per bassa frequenza, con caratteristiche particolarmente interessanti. Più precisamente SpectraPLUS e SpectraPRO consentono di trasformare il PC dotato di scheda audio Windows compatibile, in un analizzatore di spettro FFT con possibilità di sintesi dei terzi di ottava; SpectraRTA trasforma invece il computer in un analizzatore in tempo reale a banda percentuale costante in ottava e frazioni di ottava. La figura 1 mostra una videata di SpectraPRO, relativa ad una particolare analisi vocale, rappresentata secondo quattro criteri differenti: forma d onda, spettro FFT, waterfall, sonogramma. Ognuna delle quattro rappresentazioni verrà discussa in dettaglio nel corso dell articolo.

2 Figura 1 : SpectraPRO, rappresentazione di time-history, spettro FFT, waterfall e sonogramma La figura 2 è inerente invece ad una videata di SpectraRTA, raffigurante uno spettro in banda di 1/3 di ottava, relativo ad una misura eseguita in un ambiente. Oltre alle già citate funzioni di analisi spettrale, i programmi permettono di generare, sempre per mezzo della scheda audio del PC, diversi segnali di prova quali ad esempio rumore bianco, rumore rosa, sinusoidi sovrapposte, sinusoidi sweep. Figura 2 : SpectraRTA, rappresentazione dello spettro in banda di 1/3 di ottava Se la scheda audio presente nel computer è di tipo duplex (ossia in grado di acquisire e riprodurre contemporaneamente), è possibile utilizzare la sezione del software generatore di segnali per pilotare ad esempio un apparecchio in prova, e contemporaneamente utilizzare la sezione analisi per calcolare la risposta in

3 frequenza di quanto in esame (per questo tipo di prove si legga il paragrafo relativo alle avvertenze). La figura 3 mostra il tipico setup di misura per il calcolo della risposta in frequenza, ad esempio di un filtro; Figura 3 :SpectraPRO, setup per la misura della risposta in frequenza la figura 4 rappresenta una risposta in frequenza complessa espressa in termini di fase. Inoltre, con SpectraPLUS e SpectraPRO è possibile utilizzare l'hard disc del computer come un registratore digitale (2 canali, Hz di campionamento, 16 bit di quantizzazione), per ascoltare, analizzare ed eventualmente eseguire operazioni di filtraggio dei files audio memorizzati; il filtraggio può essere eseguito secondo i classici criteri di passa-basso, passa-alto, passa-banda e notch filter (in pratica è possibile eliminare una banda di frequenze dal segnale audio e riascoltare quindi il risultato della operazione eseguita). Figura 4 :SpectraPRO, curva della risposta in frequenza espressa in fase Tranne SpectraRTA, che è in grado di rappresentare solamente lo spettro a banda percentuale costante, gli altri programmi contenuti nel Compact Disc non si limitano soltanto a fornire lo spettro di quanto acquisito; infatti tra i diversi modi di rappresentazione possibile, vale la pena ricordare, oltre allo spettro classico a banda

4 fine o a banda percentuale costante sintetizzata, anche la funzione di oscilloscopio, il waterfall ed il sonogramma. Esaminando più in dettaglio i diversi modi di rappresentazione citati, è possibile riconoscere in figura 5, per mezzo della funzione oscilloscopio, la forma d onda di un segnale sinusoidale a 200 Hz (periodo 5 ms). Figura 5 :SpectraPRO, funzione time-hitory (oscilloscopio) La figura 6 è invece relativa ad uno spettro FFT, con abilitazione del calcolo della distorsione armonica totale e del rapporto segnale/rumore. Nella misura si distingue una frequenza principale a 1000 Hz ed una seconda frequenza a 2000 Hz. Il segnale visualizzato in figura è stato ottenuto per mezzo del generatore incluso nel software. Figura 6 :SpectraPRO, funzione spettro e calcolo THD e S/N Nei casi in cui il fenomeno in esame risulta variare nel tempo, un valido aiuto alla comprensione di quanto analizzato, viene fornito dalla rappresentazione 3D o waterfall ; la figura 7 mostra un diagramma frequenza-ampiezza-tempo, adatto a

5 questa tipologia di fenomeno : l asse delle ascisse è relativo alle frequenze, l asse delle ordinate è relativo ai livelli, l asse Z è relativo al tempo e mostra quindi l evoluzione dello spettro. Figura 7 :SpectraPRO, diagramma waterfall Spesso, a causa della presenza di eccessive componenti nel diagramma tridimensionale (che rendono quindi difficile la lettura dello stesso), si preferisce utilizzare il sonogramma. Quest ultimo modo di rappresentazione lo possiamo immaginare come un diagramma tridimensionale visto dall alto ; in questa situazione siamo nuovamente di fronte ad un diagramma 3D, nel quale la terza dimensione è data da una scala di grigi o da una scala cromatica. In figura 8 è mostrato un sonogramma relativo ad un fenomeno variabile nel tempo : in particolare il grafico si riferisce ad una frequenza ricca di armoniche, che varia nel tempo da un minimo di 100 Hz fino ad un massimo di 275 Hz, compiendo nel percorso alcune bizzarre evoluzioni. L asse orizzontale mostra il tempo, l asse verticale le frequenze, e la scala di grigi è relativa al livello. Figura 8 :SpectraPRO, sonogramma a scala di grigi Per comprendere meglio il sonogramma si può considerare la figura 9 che nella prima parte mostra un arpeggio di Do maggiore eseguito lentamente con il pianoforte, e nella seconda parte le note dello stesso accordo, suonate simultaneamente. Nella figura sono stati riportati i commenti esplicativi di quanto registrato.

6 Figura 9 :SpectraPRO, sonogramma a colori La scheda audio Tutti e tre i programmi riconoscono automaticamente la scheda audio installata nel sistema Windows: non necessitano quindi di drivers particolari o di complesse procedure di installazione. Dal momento che il software utilizza per l acquisizione la scheda audio del PC, è ovvio che dalle caratteristiche di quest ultima, dipende in larga parte la bontà di quanto successivamente elaborato (ovviamente se a monte della scheda audio viene utilizzato un microfono, le sue caratteristiche sono un punto altrettanto cruciale per le prestazioni di tutto il sistema). E bene quindi valutare attentamente, in funzione delle proprie esigenze, il tipo più adatto di scheda audio da utilizzarsi. Naturalmente la scheda audio ideale, dovrebbe avere una risposta in frequenza, piatta da nel range 0-22 khz, una elevata linearità dinamica, un basso rumore ed una bassa diafonia. E' bene inoltre ricordare che, a causa della assenza di filtri anti-aliasing nella maggior parte delle schede audio reperibili, qualsiasi componente in frequenza che dovesse essere presente oltre la massima frequenza di analisi impostata nel software, verrebbe ribaltata nella zona di analisi generando appunto il noto errore di aliasing (in altre parole, verrebbero visualizzate frequenze inesistenti). Nel dubbio conviene quindi impostare nel programma, la banda di analisi massima consentita (normalmente Hz). Un ultima nota riguarda la dinamica del sistema : i tre programmi consentono infatti di selezionare il numero di bit di quantizzazione (la relazione che lega la dinamica al numero di bit è approssimativamente di 6 db/bit) ; non bisogna però dimenticare come, sebbene con 16 bit la dinamica disponibile sia di circa 96 db, questi ultimi sono realmente utilizzabili solo a patto che la scheda venga pilotata in maniera corretta. Il file STAMPAMI.TXT presente nel CD, chiarisce il problema delle impostazioni, sia riguardo al fenomeno dell aliasing, sia riguardo alla dinamica disponibile.

7 Installazione del software SpectraPLUS è una applicazione a 16 bit (adatta quindi a Windows 3.1); SpectraPRO e SpectraRTA sono invece applicazioni a 32 bit (adatte quindi a Windows95/WindowsNT). Per funzionare correttamente, i programmi necessitano di un PC 486DX/66 o superiore, equipaggiato di sistema operativo Windows 3.11 (SpectraPLUS) oppure Windows95/NT (SpectraPRO e SpectraRTA) nonché di scheda audio compatibile. Ovviamente le prestazioni migliorano in termini di velocità a seconda del processore della macchina e, come già detto, in termini di qualità in funzione delle caratteristiche della scheda audio utilizzata. Il già citato file STAMPAMI.TXT, di cui si raccomanda vivamente la lettura, contiene tutte le informazioni necessarie alla corretta installazione ed abilitazione dei softwares, nonché una guida essenziale all uso dei relativi comandi ed alle diverse funzioni disponibili. Funzionalità di SpectraPLUS e SpectraPRO SpectraPLUS e SpectraPRO, diversi tra loro solo per alcune potenzialità di calcolo, prevedono sostanzialmente tre diversi modi di funzionamento : Real Time, Recorder e PostProcess. Nel modo 'Real Time' i programmi analizzano in tempo reale il segnale acquisito dalla scheda audio, mostrandone i risultati sullo schermo. In 'Real Time Mode' non viene memorizzato nulla su disco e non è possibile quindi eseguire analisi successive sullo stesso segnale. Nel modo 'Recorder', oltre ad eseguire l'analisi, i programmi memorizzano sull'hard disc il segnale audio acquisito. In questo modo di funzionamento è possibile anche riascoltare un segnale preventivamente memorizzato, rianalizzarlo ed eventualmente compiere filtraggi digitali. Nel modo 'Post Process' è consentito rielaborare un segnale registrato, con caratteristiche di dettaglio di analisi particolarmente avanzate. Nei programmi sono inoltre disponibili diverse interessanti utilities quali ad esempio il marker (che consente di etichettare le frequenze di particolare interesse), il trigger (che consente di sincronizzare l'acquisizione al verificarsi di determinate condizioni), il calcolo della distorsione armonica totale e, solo per SpectraPRO, il calcolo del rapporto segnale/rumore e della distorsione di intermodulazione. Entrambi i programmi prevedono un menù di calibrazione, per mezzo del quale è possibile tarare il sistema avendo a disposizione un segnale noto. E' necessario ricordare che la calibrazione del sistema viene influenzata dalla impostazione del mixer della scheda audio: di conseguenza, una volta eseguita la calibrazione è indispensabile non alterare le regolazioni di sensibilità di ingresso della scheda audio. Un altra interessante funzione consente di compensare una eventuale non linearità della risposta in frequenza del microfono. Nella funzione di Help del programma sono riportate, oltre alle istruzioni d'uso, anche alcune interessanti note applicative che trattano, tra l'altro,

8 della misura del tempo di riverbero, della distorsione, della misura della funzione di trasferimento e della analisi della voce. Funzionalità di SpectraRTA A differenza di SpectraPLUS e SpectraPRO che, come già detto calcolano lo spettro FFT ed eventualmente sintetizzano lo spettro a banda percentuale costante, SpectraRTA calcola direttamente lo spettro a banda percentuale costante di 1/1 ottava, 1/3 di ottava o 1/6 di ottava. Il funzionamento del programma è da intendersi in 'Real-time mode', ossia non è possibile registrare e quindi post-elaborare i dati. Anche SpectraRTA consente l uso di un generatore di segnali, ed implementa funzioni avanzate quali il calcolo della distorsione armonica totale, della distorsione di intermodulazione, del rapporto segnale rumore, della ricerca del ritardo tra i canali e della visualizzazione della fase stereo. SpectraRTA consente la calibrazione del sistema. Nella funzione di Help sono presenti alcune note applicative tra cui una che tratta della misura della risposta acustica di un ambiente, ed una circa la misura della distorsione armonica totale. Applicazioni Non è certamente possibile descrivere in poche righe quali sono le possibili applicazioni di un analizzatore di spettro, sia per la quantità, sia per la complessità di alcune di esse. Da quanto descritto dovrebbe però emergere la potenzialità dei programmi applicativi citati, che trovano la loro più naturale applicazione nel settore dell alta fedeltà. Oltre ad essere impiegabili per eseguire equalizzazioni, tempi di riverbero, curve di risposta in frequenza (modulo e fase), studi di fenomeni variabili, simulazioni di filtri, non bisogna dimenticare alcune interessanti applicazioni di laboratorio ; utilizzando opportunamente il generatore ed i due canali di acquisizione, è ad esempio possibile misurare l impedenza di un altoparlante (in funzione della frequenza), la sua l efficienza, la risposta in fase di un diffusore, la caratteristica di un filtro cross-over. Avvertenze importanti Nell uso del generatore di segnali è bene ricordare che segnali di livello o frequenza non appropriati, se inviati a circuiti o impianti di diffusione potrebbero danneggiarli irreparabilmente; allo stesso modo è necessario verificare che i segnali eventualmente inviati all ingresso della scheda audio del PC, siano compatibili con quest ultima, al fine di evitare possibili danni. Il collegamento della scheda del PC ad apparecchiature o circuiti, può essere eseguito solo da chi, avendo le necessarie

9 competenze tecniche, è in grado di tenere in considerazione tutti gli aspetti di sicurezza del caso, per le persone e per le apparecchiature in esame. La quasi totalità delle schede audio per PC sono progettate per accettare tensioni nell ordine di qualche frazione di volt (o al massimo, per alcune schede, di qualche volt), per contro, in un circuito o in un impianto audio possono essere presenti tensioni ben più elevate, pericolose sia per l uomo sia per le apparecchiature : l utilizzo del programma, diverso dal semplice uso in abbinamento ad un microfono, è quindi destinato solo a tecnici qualificati, in grado di valutare opportunamente le problematiche di compatibilità di connessione ed i rischi ad esse collegati. Il produttore ed il distributore dei softwares, l autore dell articolo e Jackson, declinano ogni responsabilità per danni a cose o persone. Un ultima nota riguarda i possibili campi di impiego degli applicativi descritti: i programmi SpectraPLUS/PRO/RTA non possono essere utilizzati per le misure acustiche previste dalle vigenti norme, in quanto non conformi ai requisiti richiesti dalla legge. Il loro utilizzo è quindi limitato alle sole applicazioni compatibili con strumentazione per la quale non viene richiesto alcun requisito. Prima dell'utilizzo dei programmi SpectraPLUS/PRO/RTA è necessario prendere visione ed approvare la licenza d'uso in essi contenuta: I softwares contenuti nel CD SEGNALI DI TEST, benché funzionanti in tutte le loro potenzialità, sono da intendersi solo ed esclusivamente per un uso di valutazione del prodotto; qualsiasi utilizzo commerciale o comunque diverso da quello di mera valutazione, è subordinato all'acquisto degli stessi ed è regolato da un contratto di licenza d'uso software.