PotenzaWin

Il programma è stato tratto dalla mia versione RPN degli anni ’70, poi convertita in QuickBasic DOS (Potenza contenente sia l’eseguibile che il sorgente), e che calcolava anche l’efficienza energetica di trasduzione (in %).
Questo programma per Windows consente di valutare la potenza necessaria per ottenere un desiderato livello massimo di picco, immettendo alcuni dati relativi ai vostri diffusori ed al vostro ambiente d’ascolto (per conoscere il livello di ascolto medio realizzabile dovrete tener conto della dinamica del segnale che andrete ad utilizzare. Se, ad esempio, la differenza fra il livello medio e quello di picco del vostro segnale fosse di 20 dB, il livello medio che potrete conseguire, sarà di 20 dB inferiore al livello di picco impostato). Il mio consiglio è di cominciare variando, rispetto ai valori di default, solo i dati relativi alla sensibilità dei diffusori (dB/2,83V/1m), al volume ambiente (in metri cubi) ed alla distanza d’ascolto (in metri), mentre per il livello massimo nei transienti si può convenientemente scegliere un valore compreso fra i 110 ed i 113 dB spl (corrispondenti ad un volume medio con segnale musicale intorno ai 90/93 dB spl) a seconda delle dimensioni e della potenza massima applicabile ai diffusori (oltre che della sopportazione dei vicini…).

ATTENZIONE:
- Il programma calcola la potenza per canale su 8 ohm. Questo dato deve essere confrontato esclusivamente con quello dell’amplificatore che volete usare relativo allo stesso valore di impedenza (8 ohm), anche se i vostri diffusori hanno una impedenza diversa.

- Il dato di sensibilità dei diffusori in dB spl da comunicare al programma (per una sola cassa funzionante), deve essere sempre quello misurabile ad un metro di distanza in condizioni anecoiche, applicando alla cassa stessa una tensione di 2,83 Volt (ovvero 1 Watt su 8 Ohm o 1,33 Watt su 6 Ohm o 2 Watt su 4 Ohm. Ricordate che fra 2 ed 1 Watt la differenza è pari a +3,01 dB).

Da oggi (9 marzo 2004) il file autoscompattante PotenzaWin.exe è stato aggiornato per una sicura installazione funzionante. Dopo la decompressione, cliccare su Setup all’interno della cartella PotenzaWin…

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NOTE D’USO:

Per casse non troppo fuori norma la direttività va lasciata a 0,5.
Il tempo di riverbero normalmente va lasciato a 0,7.

Il livello massimo di picco desiderato (impostato su 113 per tener conto di voler raggiungere livelli equiparabili a quelli dal vivo, con registrazioni ad alta dinamica), in ambienti condominiali può anche scendere a valori compresi fra 110 e 107.

La potenza per canale calcolata dal programma presume l’uso di un ampli capace di erogare tensione e corrente sempre e comunque.

Nel caso di molte tipologie di ampli a valvole, a causa di quanto spiegato più volte, l’ascolto potrebbe risultare gratificante e privo di difetti evidenti anche impiegando potenze dimezzate rispetto a quanto calcolato (-3 dB).

Distribuzione potenza musicale

Grafico della distribuzione spettrale della potenza in un segnale musicale. Utile per verificare la potenza nominale applicata ai componenti di un sistema multivia, al variare della banda ad essi affidata (ovvero, delle frequenze di taglio).

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Ed ora proviamo a fare due semplicissimi conti.

Come ha già spiegato molto bene il compianto Ing. Guido Noselli nei suoi innumerevoli scritti e come è ormai abbastanza facile reperire anche da altre fonti sulla Rete delle Reti, il “fattore di cresta” del segnale musicale (cioè la differenza fra il suo valore medio e quello di picco) di cui disponiamo per darlo in pasto ai nostri impianti Hi-Fi può essere convenientemente considerato pari spesso a circa 20 dB (che, in potenza, sono 100 volte).
Ovvero dobbiamo sempre tenere ben presente che, ascoltando ad un livello medio di 86 dB SPL, il nostro impianto dovrà emettere i brevi picchi del segnale musicale ad un livello di 106 dB SPL.
E non crediate che stiamo parlando di un livello di ascolto elevatissimo. Ad esempio, durante l’ascolto di un fortissimo di un’orchestra sinfonica dal vivo, il livello di 95 dB SPL può tranquillamente essere superato per un tempo abbastanza lungo…
Se ipotizziamo di avere delle normalissime casse dotate di una sensibilità media di 86 dB/1W/1m in ambiente anecoico, dobbiamo ricordare che le stesse casse, per emettere 86 dB SPL totali durante una riproduzione stereo di segnali dei due canali totalmente scorrelati, in un ambiente domestico medio, alla normale distanza di ascolto, devono essere pilotate con circa 1 Watt RMS ciascuna (vedi ad esempio le misure della prova delle ESB 7/06 per effettuare le quali, a 2,5 metri dalle due casse funzionanti in ambiente, vennero usati i segnali forniti da due generatori di rumore rosa separati e distinti). Nel caso di ascolto, sempre con due casse, ma monofonico (ovvero segnali perfettamente identici sui due canali) la potenza richiesta a ciascuno dei due canali del nostro ampli sarebbe invece la metà, ovvero 0,5+0,5 Watt.
Per ascoltare normale musica stereo (caratterizzata da una correlazione fra i canali che potremmo convenientemente supporre pari al 50%) ad 86 dB SPL medi (ovvero un livello medio alto ma non esagerato), il nostro ampli dovrà fornire quindi una potenza media compresa fra circa 0,5+0,5 ed 1+1 Watt RMS. Per fissare le idee stabiliremo quindi che la potenza necessaria con normale segnale musicale per ascoltare quelle casse nel nostro ambiente ad un livello medio di 86 dB sia di circa 0,75+0,75 Watt RMS.
Ma… Per raggiungere i 106 dB dei picchi del segnale (86+20)… Di Watt RMS ne serviranno 75+75.

Infatti 20 dB in potenza equivalgono a 10^(20/10) = 10^2 =100 volte, e 0,75 x 100 = 75…

E allora diventa difficile capire come sia possibile ascoltare, in un ambiente domestico e in condizioni di installazione normali, casse da 86 dB/1Watt/1m di sensibilità pilotate da ampli da meno di 75+75 Watt, in condizioni sicuramente esenti da saturazione. Ovvero tali da non risultare sicuramente affette da evidenti alterazioni dinamiche, timbriche, prospettiche… per il solo semplice motivo che l’ampli sta “clippando”…!

Ad ulteriore approfondimento, andiamo a vedere come funziona il mio programma PotenzaWin:

Avviandolo ed inserendo per la sensibilità delle casse il valore usato fin’ora, ovvero 86 dB/2,83V/1m, lasciando tutti gli altri valori inalterati, ottengo il risultato qui accanto.

Come vedete, il programma assume che si voglia ascoltare in condizioni tali da raggiungere nei picchi del segnale musicale un livello di 113 dB SPL.

PotenzaWin 106dB 20W

Impostando per il livello di picco totale, somma della emissione delle due casse, il valore di soli 106 dB ipotizzato in precedenza, il programma ci suggerisce di installare una potenza pari a 21,2 Watt RMS per canale su 8 ohm.

Nei calcoli effettuati in precedenza (e considerazioni annesse e connesse esposte poco sopra), eravamo giunti a decidere che il valore della potenza necessaria statisticamente per poter ascoltare ad 86 dB SPL medi (e 106 di picco), con quelle casse da 86 dB di sensibilità 1/W/1m e con l’ampli al limite della saturazione, un segnale musicale di caratteristiche medie e dotato di un “effetto stereofonico medio”, fosse di almeno 75+75 Watt RMS.
Fra i circa 21,1+21,2 Watt RMS suggeriti da PotenzaWin impostando per il livello di picco desiderato il valore di 106 dB SPL, ed i 75+75 calcolati in precedenza la differenza è di circa 5,5 dB. A questo punto è bene ricordare che quando ho scritto il sorgente di PotenzaWin progettavo diffusori di ogni tipo per la ESB dimensionandoli in modo che con un segnale dotato di un fattore di cresta di soli 10 dB (ovvero che la potenza media consegnata alle casse fosse solo 1/10 di quella di picco, e non come sarebbe normale 1/100) non si guastassero comunque.
Questo perché gli audiofili ascoltavano spesso con i loro ampli in clipping di 10 dB (ovvero tagliando via dai picchi oltre 10 dB) senza accorgersene.
Fatte alcune rapide valutazioni (basate anche sui dati relativi ad impianti di molti utenti a me noti) decisi quindi che la “quantità di clipping” che gli utenti di PotenzaWin avrebbero comunque tollerato avrebbe potuto raggiungere tranquillamente quei 5,5 dB senza dover comportare nessun problema.
A questo punto ho deciso di “annullare” quel fattore di “tollerabilità” di 5,5 dB aumentando il dato di livello di picco suggerito. E’ facile calcolare che aumentando il valore del livello di picco desiderato dai 106 ai 113 dB (ottenendo quindi per la potenza il valore di 106,27+106,27 Watt) non solo si recuperano i 5,5 dB di “tollerabilità” che avevo in precedenza implicitamente accettato, ma si guadagnano anche ulteriori 1,5 dB di margine, al di sopra del livello di clipping ottenibile con i 75+75 Watt calcolati in precedenza.

Le conclusioni sono:

Con casse dotate di una sensibilità di 86 dB SPL/2,83V/1m, per ascoltare al livello medio di 86 dB SPL un normale segnale musicale stereofonico in un normale ambiente domestico di circa 18 mq, alla distanza di 2,5 metri da ciascuna delle due casse, si deve impiegare un amplificatore capace di 75+75 Watt RMS su 8 ohm.
Impiegando un amplificatore di potenza inferiore, per essere sicuri che l’amplificatore non lavori mai “in clipping” si dovrà attenuare il volume di tanti dB di quanti la potenza disponibile è inferiore ai 75+75 Watt. I dB possono essere facilmente calcolati con la seguente relazione: dB = 10 x LOG(75/Potenza-Ampli).

Utilizzando invece un amplificatore dotato della potenza calcolata da PotenzaWin (lasciando inalterato il valore di 113 dB di picco richiesti), con le stesse casse si potrà ascoltare ad 86 dB SPL medi usufruendo di un margine di circa 1,5 dB.

PotenzaWin 113dB 100W

PotenzaWin NPS-1000

Usando PotenzaWin con i dati relativi alle GR-NPS-1000 Classic e al mio ambiente d’ascolto, si ottiene quanto segue.

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POTENZAWIN

Il segnale musicale
Ciò che viene considerato “musica”, in senso tecnico, quando si pensa al tipo di suono che deve essere riprodotto da un impianto hi-fi, è una entità non ben definita, la cui unica caratteristica sicura è quella che deve essere riprodotta a partire dal segnale elettrico fornito da un apposito apparecchio chiamato “sorgente”. Quando si tratta di hi-fi tale “sorgente” può essere: un ricevitore radio, un registratore a nastro, un giradischi. Non è considerata quindi sorgente adatta ad un impianto hi-fi, ad esempio, una chitarra elettrica, o un organo elettronico (a meno di rispettare opportune cautele) o anche un microfono o l’uscita di un mixer da studio.
È ovvio che qualsiasi sorgente in grado di fornire al sistema hi-fi un segnale elettrico che sia la replica di un segnale musicale può essere utilizzata per ascoltare dalle casse un suono di buona qualità, ma ciò non vuoi dire che con qualsiasi segnale fornito da qualsiasi sorgente sia possibile ottenere dal vostro sistema hi-fi le sue massime prestazioni ed il massimo livello sonoro consentito invece quando si ascolta un disco.

La potenza
Il segnale musicale registrato su un disco, (o un nastro) è composto da un certo,numero di note, le loro armoniche e da un certo numero di rumori; tutti questi suoni sono applicati ai vostri diffusori dopo essere stati “amplificati” dall’amplificatore e si susseguono nel tempo secondo una sequenza definita dalla orchestrazione.
Se consideriamo la totalità dei brani musicali che potreste decidere ci ascoltare, sappiamo che essi contengono una molteplicità di segnali dalle caratteristiche più disparate.
Questi segnali possono essere note basse, medie o alte e possono susseguirsi ad intervalli di tempo variabili o essere presenti tutte contemporaneamente (ad esempio in un pieno orchestrale). Esaminando un gran numero di segnali musicali, si scopre che la quantità e la durata delle note basse e medie presente è sempre molto maggiore di quella delle note alte.
Sono esse quindi che richiedono normalmente la maggiore potenza al vostro amplificatore ed aumentando via via il volume o il controllo dei bassi arriverete ad un punto oltre il quale l’apparecchio non può andare; ad ogni ulteriore rotazione della manopola in senso orario non corrisponde più una crescita regolare dei segnale applicato alle casse.
Se distinguiamo fra la potenza che “mediamente” l’amplificatore consegna agli altoparlanti durante l’intera durata di un brano musicale, e quella “massima di picco” che è chiamato ad erogare durante i transienti più forti (un colpo di timpano, una nota di chitarra, un urlo più alto, qualsiasi suono nel momento in cui è più forte), potremo dire che aumentare il volume oltre quel punto limite significa ottenere comunque una potenza “media” più alta, ma senza aumentare affatto la potenza “di picco”.
Ciò equivale a dire che in questa condizione per mantenere il giusto rapporta di volume fra i segnali forti e quelli deboli, i segnali più forti dovrebbero essere amplificati dal vostro amplificatore fino ad un livello di potenza superiore a quello massimo di cui è capace.
In questo caso si dice che il segnale inviato ai diffusori è “distorto” e che l’amplificatore lavora “in saturazione” o all’inglese “in clipping”.
Il risultato è che, continuando ad aumentare il volume, voi sentirete comunque un aumento di livello sonoro, ma accompagnato da un suo rapido degrado qualitativo, causato dalla deformazione della informazione elettrica inviata agli altoparlanti.
Tale deformazione consiste in un “appiattimento” o “limitazione” che non consente al sistema di riprodurre il messaggio acustico in tutta la sua “dinamica” (differenza fra suoni più deboli e i più forti registrati sul disco).
La cosa peggiore però è che, ruotando ulteriormente la manopola, la potenza media inviata agli altoparlanti aumenta via via di più della sensazione di volume sonoro che viene fornita (a causa del “non aumento” della potenza di picco), e contemporaneamente il funzionamento dell’amplificatore in saturazione provoca la nascita di segnali spuri originariamente non contenuti nel segnale registrato; questi, oltre a degradare la qualità della riproduzione, finiscono per essere applicati in massima parte al midrange e al tweeter determinandone un rapido sovraccarico con probabili bruciature.
Tornando a fare uso di una similitudine “motoristica”, questa utilizzazione equivale ad una “tirata” in “fuori giri”, ovvero ad una condizione di funzionamento che per brevi istanti può anche non causare danni, ma mantenuta a lungo è senz’altro causa di spiacevoli inconvenienti.
Alcuni diffusori sono dotati di fusibili di protezione che dovrebbero garantire la integrità degli altoparlanti.
Questo è vero senz’altro quando vengano utilizzati amplificatori di potenza uguale o superiore a quella massima consentita.
Nei casi in cui l’amplificatore abbia un potenza inferiore alla massima per cui il sistema di altoparlanti è specificato, i fusibili continueranno ad intervenire tutte le volte che si presenterà ai morsetti di ingresso della cassa un segnale anomalo in grado di danneggiarla, causato da malfunzionamento degli altri componenti dell’impianto o da un collegamento difettoso; non dovete invece aspettarvi che i fusibili intervengano sempre e comunque anche quando il segnale che applicate ai vostri diffusori è un segnale musicale “distorto” a causa di un uso dell’amplificatore in saturazione.
Come abbiamo visto, i maggiori problemi per la integrità di un sistema di altoparlanti nascono sempre da un uso oltre i limiti di un amplificatore di potenza insufficiente: fate quindi attenzione quando ruotate il volume per aumentare il livello di ascolto ed ogni volta che sentirete che il suono diventa “aspro” e appare “limitato” nei transienti tornate indietro fino alle condizioni di funzionamento normale.
Ricordate inoltre che il massimo livello sonoro che potrete ottenere in condizioni di sicurezza dai vostri diffusori dipenderà quasi sempre dalla potenza massima “indistorta” del vostro amplificatore: se siete poco pratici dell’uso di un sistema hi-fi e non avvertite facilmente quando un amplificatore sta “saturando” ma volete ottenere “il massimo”, la migliore scelta per voi è quella di usare un amplificatore di potenza prossima a quella massima per cui il vostro diffusore è specificato.
Se viceversa siete esperti potrete comunque ottenere buone prestazioni anche con amplificatori di potenza convenientemente inferiore, in relazione alle vostre attitudini di ascolto e alle caratteristiche dei vostro ambiente.
Se poi vi ritenete particolarmente esperti e capaci di non oltrepassare mai il limite di potenza massima dei vostro amplificatore, potrete utilizzare con qualsiasi diffusore ESB amplificatori di potenza anche superiore a quella massima specificata, fino al doppio.

Se le vostre attitudini di ascolto vi fanno ritenere normale un livello simile a quello che si può avere in un cinema (o ascoltando un televisore a volume alto), una semplice regola vi può aiutare a decidere di quanta potenza avete bisogno. Con diffusori aventi una efficienza di 88 dB/1W/1m e con un ambiente di caratteristiche acustiche medie serve una potenza per canale su 8 ohm pari al numero di metri cubi dei volume geometrico dei locale da sonorizzare.
Tenete conto che ogni dB di efficienza in meno vi richiede il 26% di potenza in più, così come ogni dB di efficienza in più lo fa risparmiare.
La differenza fra un ambiente assorbente, uno medio ed uno riverberante può essere valutata in una necessità di potenza di più o meno il 50%. Una distanza di ascolto superiore alla media può anch’essa richiedere un aumento di potenza fino al 50%.

Ciò conduce ad esempio, per una coppia di ESB XL-7 (90 dß/1Watt/1m) in una stanza di 20 metri quadrati (x 3 di altezza) alla scelta di una amplificatore da (20×3): 1,26:1,26 = 38 Watt per canale. Gli appassionati che vogliano ascoltare a volumi sostenuti, magari utilizzando sorgenti ad alta dinamica come il Compact Disc, dovranno moltiplicare ulteriormente questo valore per 2, sempre che il diffusore lo consenta.
Nel caso delle XL-7 si raggiungono così i 75 Watt per canale, mentre una coppia di ESB 7/06 (89 dB) installate in un ambiente “molto assorbente” di 30 mq richiederebbe per una utilizzazione ottimale una potenza di (30×3) x 1,5:1,26 x 2 = 214 Watt per canale.
Ciò che dovrete ricordare in ogni caso è che la posizione della manopola dei volume in corrispondenza alla quale il vostro amplificatore fornisce la potenza massima non è la completa rotazione oraria, ma spesso molto meno.
La ragione è molto semplice: la massima rotazione possibile è sempre quella per la quale viene raggiunta la potenza massima dei segnali transienti, e non del segnale “medio”.
Viceversa in un sistema che abbia tutti gli elementi scelti ed abbinati in modo da avere i dati tecnici relativi agli accoppiamenti esattamente coincidenti (tensione di uscita della testina, sensibilità dell’ingresso fono, ecc.) il “volume al massimo” corrisponde alla erogazione di una potenza massima comparabile alla potenza che con il segnale musicale abbiamo chiamato “media”, non lasciando quindi nessun margine per la riproduzione dei picchi che verranno inesorabilmente “tagliati” con tutte le conseguenze già esposte.
Tenete presente che la potenza media di un segnale musicale è normalmente inferiore di 40 volte a quella di picco; i diffusori vengono progettati per non rompersi anche se ricevono una potenza media inferiore di sole 10 volte a quella di picco, ma un uso sconsiderato dei vostro amplificatore può inviare alle casse una potenza media che al limite (onda quadra, o segnale completamente “saturato”) potrebbe essere anche uguale a quella di picco, che a sua volta è comunque pari al doppio della potenza massima RMS che l’apparecchio è in grado di erogare.

L’impedenza
Il valore di Impedenza dichiarato per i diffusori hi-fi è un dato che serve per avere una idea della quantità di potenza che l’amplificatore sarà chiamato a fornire.
Infatti un amplificatore che sia progettato per una potenza massima di 100 Watt su 8 ohm fornirà su 4 ohm una potenza che teoricamente, nel caso ideale, potrebbe diventare 200 Watt.
Questo non vuole dire che una cassa da 4 ohm debba necessariamente suonare più forte di una da 8 perché assorbe più potenza.
Inoltre la potenza in più che l’amplificatore fornisce su una impedenza più bassa è utile solo se viene effettivamente utilizzata dalla cassa (non avrebbe senso perciò porre in parallelo ad un diffusore da 8 ohm una resistenza da 8 ohm per ottenere un livello di ascolto più alto, il risultato sarebbe invece proprio l’inverso).
Normalmente gli amplificatori a transistor non hanno nessuna necessità di essere abbinati a casse aventi una particolare impedenza, dato che il trasferimento della energia elettrica avviene comunque con il massimo rendimento. Diversa era la situazione quando con gli amplificatori a valvole esistevano più prese di uscita, collegate ad un trasformatore di impedenza interno, che ottimizzavano il trasferimento di potenza per i diversi valori di impedenza dei diversi diffusori.
Oggi l’unica preoccupazione che deve avere l’appassionato è di non collegare al suo amplificatore una impedenza “inferiore” al minimo consigliato dal costruttore. Non seguire questa regola comporta comunque solo una penalizzazione in termini di qualità sonora in prossimità dei massimi livelli di ascolto.
La maggior parte degli amplificatori in commercio sono in grado di accettare sia casse da 4 che da 8 ohm indifferentemente, così come ogni valore intermedio. Ricordate che collegare in parallelo due diffusori aventi uguale impedenza equivale a dimezzare il valore visto dall’amplificatore: due casse da 8 ohm in parallelo equivalgono ad una, da 4 ohm.

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