Commenti alle misura di MIL e MOL

(Massimo Livello di Ingresso e Massimo Livello di Uscita)

di Mario Bon  -   26 settembre 2015, 14 novembre 2016

 

Vedere anche Valore RMS e Fattore_di_Cresta

I segnali possono avere andamenti nel tempo molto vari: sinusoidi,  onde quadre, rumori,  segnali musicali, ecc. . Come fare per confrontare gli effetti di stimoli così diversi in modo semplice? Si usano le grandezze RMS.

 

Due segnali con lo stesso valore RMS (tensione, corrente, velocità, pressione, ecc.) producono lo stesso trasferimento di energia nel carico e, nel caso delle grandezze elettriche, lo stesso riscaldamento termico del carico.

 

Una corrente di X Ampere RMS produce sul carico lo stesso riscaldamento che produrrebbe una corrente continua di X Ampere (lo stesso per una tensione, ecc.).

Questo consente di confrontare gli effetti integrali (energia, riscaldamento) di stimoli diversi indipendentemente dalla loro particolare forma nel tempo.

In poche parole: una sinusoide da 2.83 Vrms  o un rumore rosa da 2.83  Vrms o un’onda quadra da 2.83 Vrms riversano sul carico la stessa potenza elettrica continua (1 Watt su 8 ohm) e producono lo stesso riscaldamento (lo stesso aumento di temperatura). La differenza è che

-          la sinusoide lo fa eccitando il carico ad una singola frequenza,

-          l’onda quadra distribuisce la potenza su una serie di frequenze (le armoniche dispari della fondamentale)

-          il rumore rosa distribuisce la potenza su moltissime sinusoidi (di ampiezza minore e fase casuale).

 

Nota: definiamo “rumore rosa piatto” un rumore pseudocasuale a media nulla, perfettamente isoenergetico su  bande percentuali costanti di frequenza. In sostanza un rumore che, osservato con un analizzatore di spettro a terzi di ottava, presenti uno spettro perfettamente piatto (in inglese “flat”). In campo audio il rumore rosa si estende per 10 decadi da 20 a 20000Hz (3 decadi, 10 ottave, 20 mezze ottave, 30 terzi, ecc.).

 

Ricordiamo anche che FC = Fattore di Cresta = (Valore di Picco) / (Valore RMS)

 

Prendiamo:

 

-          una sinusoide da 2.83 Vrms (FC=1.414, valore di picco 4 Vpicco),

-          un rumore rosa piatto con spettro esteso da 20 a 20000 Hz, da 2.83 Vrms e fattore di cresta FC=3.5 o 10.88 dB (l’FC del rumore deve essere sempre specificato).

 

Il valore di picco di questo rumore è 3.5x2.83=9.9 Vpicco. Ogni terzo di ottava trasporta 1/30 della potenza = 0.03333 Watt che, su 8 ohm,  corrispondono a 0.516 Vrms.

La potenza si calcola come  P=V2/R perché il carico è puramente resistivo (indipendente dalla frequenza).  Consideriamo la seguente tabella:

 

segnale

Vrms

Potenza continua su 8 ohm

Fattore

di cresta

V picco

Watt picco

Sinusoide

2.83

1 Watt

1.414

4

2

Rumore rosa

2.83

1 Watt

3.5

9.9

12.25

 

La tabella confronta due segnali con la stessa Vrms ma fattori di cresta diversi.

L’ amplificatore, per riprodurre correttamente i picchi del rumore, deve possedere una ampia escursione di tensione (e di corrente). 

Partendo da un amplificatore da 100 Watt continui (40 Volt di picco sul carico):

 

 

segnale

Vrms

Potenza continua su 8 ohm

Fattore

di cresta

V picco

Watt picco

Sinusoide

2.83

100

1.414

40

200

Rumore rosa

11.42

16.32

3.5

40

200

 

Come si vede il rumore sfrutta solo 16.32 Watt continui mentre gran parte della escursione della tensione di uscita viene utilizzata per riprodurre i picchi. Questa è la tipica situazione che si incontra in HiFi: è richiesta una potenza continua relativamente bassa e una potenza di picco sensibilmente alta. La potenza di picco, però, deve essere mantenuta per almeno 0.7 secondi (quindi, in pratica conta solo la potenza continua disponibile).

 

Se analizziamo il rumore con un analizzatore di spettro a terzi di ottava la potenza del segnale sarà suddivisa equamente sui 30 terzi di ottava e il livello di potenza di ogni terzo risulta di 10log(1/30)=-14.77 dB più basso rispetto al valore RMS.

Quindi  se il livello SPL prodotto da un diffusore, misurato con rumore rosa, è di

 

114.7 dB

ciascun terzo partecipa con

100 dB

104.7 dB

ciascun terzo partecipa con

90 dB

100 dB

ciascun terzo partecipa con

85.3 dB

90 dB

ciascun terzo partecipa con

75.3 dB

 

Ne segue che una misura di distorsione dovrebbe essere fatta con rumore rosa con FC compreso tra 3 e 4 (9-12 dB) quando il diffusore produce tra 90 e 100 dB SPL. Questo corrisponde alle effettive condizioni d’uso quando viene riprodotta musica pop o rock attuale in condizioni compatibili con l’ambiente domestico. Si noti che, a 100 dB, ciascun terzo di ottava partecipa (mediamente) con soli 85,3 dB mentre la distorsione armonica viene misurata con stimoli che producono 90 dB SPL (nell’ipotesi che il diffusore abbia risposta piatta, ecc.). È quindi normale che la distorsione rilevata con rumore rosa (o con stimoli multitono) possa essere inferiore a quella misurata con sinusoidi. 

 

Nota:

la rivista tedesca Stereoplay misura la distorsione a 85, 90, 95 e 100 dB SPL e questa misura, che applica alla lettera la definizione di linearità, mette in evidenza, ove presenti, i fenomeni di compressione (termica e meccanica).

 

 

La misura della MIL (MOL) è una misura di distorsione di intermodulazione e viene fatta utilizzando, come stimolo, un segnale composto dalla sovrapposizione di due sinusoidi di frequenza e ampiezza opportuna che cadono all’interno di uno stesso terzo di ottava. Quindi l’ampiezza dello stimolo viene aumentata progressivamente finché la distorsione di intermodulazione del DUT raggiunge il 5%. A quel punto la misura viene interrotta ed il livello raggiunto viene riportato su un grafico a terzi di ottava. La misura viene ripetuta per ogni terzo di ottava. L’amplificatore utilizzato eroga 500 Watt su 8 ohm (ma sarebbe meglio specificare 89.44 Vpicco indipendentemente dal carico).

La MIL indica il livello dello stimolo che provoca il 5% di distorsione di intermodulazione in uscita.

La MOL indica il livello SPL corrispondente (e viene calcolata combinando la MIL e la risposta in frequenza). Ne segue che, per un diffusore ideale, la MIL è una retta corrispondente a 500 Watt in ingresso e la MOL ha lo stesso andamento della risposta in frequenza del diffusore ripresa con rumore rosa a terzi di ottava. 

 

 

 

Esempio di Misura di MIL

Per un diffusore ideale in cassa chiusa le basse frequenza decrescono di 12 dB per ottava. Per un reflex la MIL è migliore in corrispondenza della frequenza di accordo (dove l’escursione del diaframma del woofer è minore) e peggiore sotto la frequenza di risonanza.

 

 

 

 

 

 

Esempio di Misura di MOL

Per un diffusore ideale il grafico appare come una linea retta in corrispondenza di 500 Watt continui.

L’amplificatore deve garantire una tensione di 89.44 Volt indipendentemente dalla impedenza del carico.

 

 

 

(2)

Esempio di MOL

Il diffusore produce meno del 5% di distorsione di intermodulazione su ogni terzo. A 40 Hz si ottengono 87 dB. La MIL indica che ciò avviene con 2 Watt in ingresso.

Se producesse 87 dB su ogni terzo di ottava l’SPL raggiungerebbe 101.7 dB circa.

 

Diffusore:

tre vie da pavimento a radiazione diretta con due woofer da 7”.  Sensibilità 89 dB

 

 

 

Soffermiamoci sul grafico qui sopra. Sul primo terzo di ottava (40 Hz)  il 5% è raggiunto con 2 Watt e corrisponde a 87 dB SPL.

Se consideriamo un programma musicale che presenti uno spettro piatto da 20 a 20000 Hz, il massimo SPL ottenibile è nell’ordine di 87+14.77=101.7 dB con il 5% di distorsione concentrato attorno a 40Hz. Poi la distorsione diminuisce (rapidamente) al crescere della frequenza.

Ora passiamo ad un altro esempio: 

 

 

(3)

Esempio di Misura di MOL. A 500 Hz il diffusore produce 101 dB con il 5% di intermodulazione.

Sul primo terzo (40 Hz) produce 88 dB.

Ma 88+14.77=102.7 dB

 

Quindi dobbiamo classificarlo come 102.7 dB di SPL max con distorsione al 5% attorno 40 Hz e altrettanta distorsione anche attorno a 500 Hz.

 

 

 

Diffusore:

un tre vie con woofer da 12” e trombe per medi e alti. Sensibilità 96 dB.

 

 

Nel caso (3) il diffusore produce  88 dB nel primo terzo quindi la valutazione del massimo SPL differisce dal diffusore (2) per un dB. Tuttavia la stessa distorsione (5%) viene prodotta anche a 500 Hz. Evidentemente sono da preferire diffusori che non presentino questo tipo di “buchi” profondi e localizzati (che indicano dei picchi di distorsione).

Con il criterio adottato i diffusori (2) e (3), pur presentando misure profondamente diverse, producono SPL (a parità di distorsione sul primo terzo) molto vicine. La differenza di sensibilità di 7 dB è inessenziale perché i confronti, per quanto riguarda la distorsione, si fanno a parità di SPL riprodotto. Se un diffusore produce un tasso di distorsione, in gamma media) del 3% a 90 dB semplicemente distorce troppo e poco importa se la sua sensibilità è di 80 o di 100 dB.  

 

Domandiamoci:

lo stimolo utilizzato per la misura rappresenta le effettive condizioni d’uso?

No, nessun programma musicale è costituito da due singole sinusoidi.

Se su ogni terzo di ottava si scaricano 500 Watt a quanto equivale l’intero rumore su tutti i 30 terzi di ottava?

500x30=15000 Watt (quindicimila watt). Applicando 15000 Watt ad un diffusore per alta fedeltà si ottiene una nuvoletta di fumo….

Il risultato della misura è correlato alla sensazione di ascolto?

Questa risposta è più difficile perché dipende dal contenuto del programma musicale. Sicuramente una pessima MIL o MOL non aiuta.

È possibile prevedere dalla MIL e MOL il massimo SPL riproducibile?

Si e no, si può comunque fissare un limite minimo.

Cosa rappresenta la MOL?

Fissa il limite minimo dell’SPL massimo.

(sembra un gioco di parole …)

 

Quindi il diffusore (2) può produrre un SPL di almeno 101.7 dB mentre il diffusore (3) può produrre un SPL di almeno 102.7 dB. La MIL e la MOL non consentono di andare oltre perché il risultato dipende sostanzialmente dal particolare programma musicale il che giustifica il fatto che un diffusore con una MIL e MOL “scarse” possa comunque “suonare bene” (vds mini diffusori) con determinati programmi musicali. Certamente, nel confrontare due diffusori diversi, si potrà preferire quello con la MIL e MOL migliori ma solo nel contesto complessivo delle prestazioni rilevate. 

 

La filosofia della MIL e della MOL sembra essere la seguente:

 

ipotesi

La distorsione aumenta progressivamente con il livello SPL (per i diffusori acustici è così)

 

portiamo il diffusore in condizioni molto difficili,

verifichiamo che anche in tali condizioni la distorsione sia limitata a valori decenti,

a livelli SPL inferiori funzionerà certamente meglio.

 

L’ipotesi ed il ragionamento sono corretti ma portano a sovrastimare le reali necessità. Infatti quasi tutti i diffusori, sotto i 50 Hz, raggiungono il 5% di distorsione con potenze nell’ordine di qualche Watt. Tuttavia il contenuto di basse frequenze nelle prime due ottave (16-32, 32-64 Hz)  dipende dal genere musicale e potrebbe essere molto scarso o anche assente (specie la prima ottava). Nella musica rock registrata dal vivo spesso è presente un deciso taglio (passa alto) a 40 Hz.

Si deve considerare anche la tollerabilità della distorsione a bassa frequenza che è maggiore nei sistemi a tre vie rispetto ai sistemi a due vie o monovia.

 

Da questo punto di vista le misure di TND, pur con i loro limiti, appaiono più rappresentative delle effettive condizioni d’uso. Per esempio si potrebbe misurare la TND a 85, 90 e 95 dB SPL.

 

In sostanza la MIL e la MOL da quando è stata introdotta la misura di TND, potrebbero anche essere abbandonate e magari sostituite con la misura della differenza di risposta in asse dei due diffusori che formano la coppia (che porta informazioni sulla Spazialità).

 

Per ultimo dobbiamo rilevare che, per MIL e MOL,  non sono stati esplicitamente definiti i limiti di udibilità (la JND) e le soglie differenziali. Questo, tuttavia, trattandosi di una misura che viene utilizzata sostanzialmente per confrontare diffusori diversi, non è molto rilevante.