[Intervista] Intervista al Dott. Earl Geddes

Tra le figure più influenti nel campo della psicoacustica, spicca senza dubbio Earl Geddes. Fisico di formazione, con un dottorato in acustica conseguito presso la Pennsylvania State University, Geddes ha intrapreso una carriera che unisce ricerca, innovazione industriale e una profonda passione per l'alta fedeltà.

Dopo una lunga esperienza alla Ford Motor Company, ha proseguito il suo percorso professionale in aziende come Knowles Electronics e Visteon, ricoprendo ruoli di leadership nella ricerca e sviluppo. Nel 1996, insieme alla Dottoressa Lidia Lee, ha fondato la GedLee Associates, società di consulenza specializzata in acustica, controllo del rumore, progettazione audio e sviluppo di altoparlanti. Da allora ha collaborato con grandi aziende come Motorola, Resound, Tellabs e Ford. È coautore, insieme alla Dottoressa Lee, dei volumi Audio Transducers e Premium Home Theater.

Membro della AES (Audio Engineering Society) dal 1978, Geddes detiene numerosi brevetti nei campi della trasduzione e del controllo attivo del rumore. Le sue pubblicazioni scientifiche e presentazioni tecniche sono numerose e riconosciute a livello internazionale. Nel corso della sua carriera ha ricevuto vari riconoscimenti prestigiosi, tra cui l'Henry Ford Technological Achievement Award. Il sito del Dott. Geddes mette gratuitamente a disposizione molto materiale di grande interesse.

MB Molti audiofili e recensori sono abituati a valutare un diffusore attraverso misurazioni tradizionali ma lei ha proposto un approccio radicalmente diverso. Il punto di partenza delle sue ricerche non sono state le misure in sé, ma piuttosto come gli esseri umani riconoscono e percepiscono la musica attraverso i sistemi audio. Dr. Geddes, vorrei chiederle come è giunto a sviluppare la GedLee Metric, in cosa questa metrica si differenzia dai metodi di valutazione più diffusi e perché, secondo lei, si continua a fare affidamento, almeno in parte, su parametri obsoleti?

EG Ho iniziato a interessarmi ai sistemi non lineari molto presto nella mia carriera, forse già a metà degli anni '70. Sospettavo che la non linearità giocasse un ruolo cruciale nella qualità sonora percepita da un sistema di riproduzione audio. Ho letto molto su come i sistemi non lineari modificano il segnale che li attraversa, ma quando ho combinato queste conoscenze con ciò che stavo imparando sul funzionamento dell'orecchio (con grande aiuto di Lidia, mia moglie), ho capito che il modo in cui percepiamo la non linearità di un sistema, non è ben rappresentato dalle misure “standard” come distorsione armonica totale (THD) e distorsione di intermodulazione (IMD). Lidia ed io abbiamo quindi messo a punto un test per determinare come gli esseri umani percepiscano diverse non linearità. Già qualche anno prima avevo appreso che non linearità molto contenute, come la distorsione di crossover [intesa come distorsioni introdotte nella zona di incrocio tra le due semionde negli amplificatori classe B e AB], pur generando un livello di THD molto basso, possono avere effetti pronunciati sulla qualità sonora. Chiaramente, la correlazione tra percezione e THD non poteva essere considerata valida. Seguendo questa idea, abbiamo impostato un test per valutare come i vari ordini di non linearità (i termini della serie di Taylor di una funzione di trasferimento non lineare - la descrizione standard in letteratura) fossero correlati alla percezione. I risultati non sorpresero me ma molti altri sì. In sostanza, scoprimmo che non esisteva alcuna correlazione statisticamente valida tra THD o IMD e percezione, secondo quanto emerso dal nostro studio. La bassa correlazione che era presente, era addirittura negativa! - cioè le persone tendevano a preferire una certa non linearità. Oggi sappiamo che in molti casi le persone mostrano una preferenza per una certa non linearità di 2° ordine - insomma, gradiscono la distorsione. Io, al contrario, sono un purista: cerco una riproduzione completamente “pulita”.

Cosa fare, dunque? Avevamo le misure standard, che abbiamo dimostrato essere inutili a descrivere la qualità sonora. Come fare meglio? Applicando concetti di psicoacustica alla percezione della non linearità, ho individuato alcuni punti:

1) Il mascheramento uditivo nasconde i prodotti di distorsione non lineare vicini al segnale sorgente.

Questa scoperta mi suggerì che il nostro udito sarebbe stato più sensibile agli ordini superiori di non linearità, e che questo effetto sarebbe stato più pronunciato per segnali a basso livello. Senza addentrarmi troppo nella logica matematica, proposi la GedLee Metric. Questa metrica considera il segnale non lineare risultante in modo molto diverso rispetto a THD o IMD. Attribuisce notevole rilevanza alle porzioni di segnale a basso livello e riduce invece l'importanza delle porzioni di segnale ad alto livello. In termini pratici (anche se questa è solo un'approssimazione), il contributo delle distorsioni armoniche sembra crescere con l'ordine, in modo simile a un incremento di circa 6 dB per ordine. Nei test, questa metrica mostrò una correlazione significativa tra misura e percezione, cosa che non avviene con THD o IMD. Perché l'industria abbia ignorato tutto ciò e continui a usare THD e IMD come misure di qualità è per me un mistero; è come l'ubriaco che cerca le chiavi sotto il lampione (mentre ovviamente sono altrove) “perché lì c'è luce”. THD e IMD sono facili da misurare - continuiamo così, non importa che non abbiano alcun significato, la gente pensa di capirli.

MB Crede che i principi alla base del GedLee Metric possano essere estesi anche a monte, verso elettroniche come amplificatori, DAC o preamplificatori? Pensa che un approccio psicoacustico possa offrire una prospettiva più significativa dei metodi tradizionali anche in questi ambiti?

EG Certo, le idee sono indipendenti dallo stadio del sistema audio di cui parliamo. Si applicano altrettanto bene a microfoni e amplificatori quanto agli altoparlanti. È solo che il mio interesse si è concentrato principalmente sugli altoparlanti. In realtà, la natura delle non linearità nei sistemi meccanici come gli altoparlanti suggerisce che queste saranno di ordini più bassi.

Gli ordini più alti sono rari - e non dovrebbero esistere - perché sono troppo udibili. Ho ascoltato altoparlanti con un problema di snap through [instabilità meccanica del cono o della sospensione]: il risultato sonoro è terribile. Gli altoparlanti tendono a essere dominati da 2° e 3° ordine, che sono quasi inudibili e per alcuni addirittura piacevoli. Questo vale fino a quando l'altoparlante non lavora al limite delle sue possibilità. A quel punto gli ordini crescono rapidamente e la qualità percepita decade. Il modo in cui cresce questo insieme di ordini è significativo.

Abbiamo condotto questo studio: confrontare le impressioni di ascolto di un segnale con hard clipping e uno con soft clipping. Le persone giudicavano l'amplificatore con soft clipping ancora accettabile ben oltre il livello in cui l'altro era già ritenuto scadente, pur avendo entrambi le stesse alimentazioni.

All'estremo opposto c'è la distorsione di crossover che difficilmente appare in un test THD, a meno che non si scenda a livelli molto bassi, precisamente sotto il livello del rumore (questo è un problema, poiché normalmente si misura THD più rumore). Ho scoperto che si possono riconoscere problemi significativi nelle elettroniche, effettuando una media sincrona del segnale di test all'uscita, sopprimendo così il rumore. In questo modo è possibile rilevare le armoniche non lineari anche sotto il livello del rumore. Credo che questo sia un aspetto rilevante.

In sintesi: la GedLee Metric è probabilmente ancora più rilevante per l'elettronica che per gli altoparlanti. Anche se devo concordare con Floyd Toole nell'affermare che la non linearità non è un problema significativo nei componenti ben progettati - il che non significa che non possa esserlo in tutti gli altri casi.

MB L'importanza della sala d'ascolto è spesso sottovalutata. Che ruolo gioca l'acustica dell'ambiente nella qualità della riproduzione? Qual'è la sua opinione sui sistemi di correzione ambientale? Inoltre, cosa consiglierebbe personalmente per migliorare un ambiente d'ascolto: trattamenti acustici, soluzioni DSP, subwoofer o altro?

EG La sala d'ascolto gioca un ruolo critico nella qualità sonora di un sistema di riproduzione, ma in modi diversi a seconda della gamma di frequenze. Alle basse frequenze (LF) domina la stanza, mentre alle alte frequenze (HF) il contributo principale è dell'altoparlante, anche se in entrambi i casi conta molto l'interazione tra ambiente e diffusore.

Alle LF (basse frequenze) si hanno effetti modali forti, specialmente nelle stanze piccole [con questo aggettivo Geddes identifica le stanze di un qualsiasi ambiente domestico]. In pratica, il volume della stanza detta la situazione modale alle basse frequenze, e mentre ogni stanza è diversa, stanze di volume uguale si comportano in modo molto simile. In questo regime sono fondamentali lo smorzamento dei modi (critico), il posizionamento dei diffusori e il loro numero. Qui vale la regola “più è meglio”, fino a tre, quattro o più diffusori dedicati alle basse frequenze, oltre questo numero si hanno rendimenti decrescenti.

Il tema dei sub multipli è vastissimo e non posso affrontarlo tutto qui, ma sta diventando un aspetto critico nei sistemi di alta qualità. Alle LF le caratteristiche della sorgente vengono dominate dall'ambiente e solo un DSP può correggere adeguatamente i problemi.

Alle HF (alte frequenze), invece, la situazione cambia. Qui lo smorzamento non è desiderabile, perché riduce la spazialità, ma sono critici i livelli e tempi delle riflessioni, soprattutto delle prime riflessioni molto ravvicinate (VER), poiché si fondono con il suono diretto degradando l'immagine. A questo punto la direttività e la risposta in frequenza dell'altoparlante diventano criteri fondamentali.

Per me è ovvio che l'immagine spettrale delle riflessioni debba essere la stessa del suono diretto, anche se non tutti sono d'accordo. La misura della direttività è meglio espressa come Indice di Direttività (DI). Il DI varia con la frequenza e può andare da 0 dB fino a 12 dB (caso raro). Più il DI è alto, più il suono è direttivo. Ciò che conta è che il DI vari in modo regolare e, a mio avviso, debba essere il più piatto possibile.

Tutti i sistemi vanno a 0 dB di DI alle LF, per poi salire a un certo livello alle HF. Quanto debba essere piatto o alto dipende da molti fattori personali, soprattutto il genere musicale.

Un basso DI tende a favorire la spazialità, aumentando l'energia riflessa nelle prime riflessioni. Questo però degrada l'immagine sonora, perché le VER si fondono con il suono diretto. Al contrario, un DI elevato riduce le VER e migliora l'immagine, ma a scapito della spazialità. è un compromesso che deve essere bilanciato.

Le registrazioni di grandi ensemble in sale da concerto beneficiano di un DI basso, che aumenta la spazialità e dove la precisione dell'immagine non è così critica. Per le registrazioni da studio, invece, dove la collocazione delle sorgenti è molto curata, un DI alto favorisce l'immagine. Se la stanza è trattata in modo meno assorbente alle HF, la spazialità può comunque essere preservata tramite riflessioni tardive. è esattamente ciò che faccio io nelle mie sale. Inoltre ascolto raramente musica orchestrale registrata dal vivo; l'immagine è molto più importante per il cinema, ed è fondamentale in un Home Theater.

C'è anche la questione di come puntare l'asse principale di direttività. Io incrocio sempre gli assi dei due diffusori davanti a me, il che significa che mi trovo fuori asse rispetto alla sorgente diretta. Questo è un altro motivo per cui preferisco un DI piatto (directivity costante), poiché non funzionerebbe con un DI crescente. La configurazione toe-in allarga anche lo “sweet spot”, perché spostandosi lateralmente si entra nell'area di maggior livello proveniente dall'altro diffusore. Anche questo è possibile solo con un DI piatto.

MB Lei ha proposto diffusori che utilizzano una tecnologia - i driver a compressione - spesso liquidata da molti audiofili come obsoleta o inferiore rispetto a soluzioni più comuni come i tweeter a cupola. Partendo da questi driver, ha sviluppato guide d'onda specificamente progettate per superare alcune carenze tipiche delle trombe tradizionali. Può raccontarci cosa l'ha spinta a scegliere driver professionali (il Dott. Geddes ha scelto altoparlanti prodotti dalla toscana B&C, precisamente i modelli 15NBX100 per le basse frequenze e il DE500 per le medio alte delle New Summa 15) invece di quelli più audiophile? E quali sono, secondo lei, i veri vantaggi di questo approccio se ben implementato?

EG Ora che ho descritto le caratteristiche che cerco in un diffusore, spiego perché solo un driver a compressione su una guida d'onda ben progettata può raggiungere questi obiettivi.

Innanzitutto, bisogna considerare la direttività (DI). È importante capire che i trasduttori a radiazione diretta - coni, cupole - hanno sempre un DI crescente: la fisica lo impone. Significa che non possono mai avere un DI piatto e regolare, a meno che non sia molto basso - e quindi non soddisfano il mio requisito di un DI elevato e piatto.

Le guide d'onda, invece, possono produrre una direttività costante. In passato questo si otteneva mediante diffrazione, creando un fronte d'onda curvo controllato dalle pareti della tromba. Dal punto di vista della direttività funzionava bene, ma con un grave difetto: la diffrazione rimandava parte dell'onda verso la membrana, creando onde stazionarie interne. Queste causavano picchi e buchi in risposta, oltre a ritardi nella decadenza del segnale. Il risultato era un suono colorato e di bassa qualità, che ha contraddistinto le trombe Hi-Fi fin dall'inizio.

Molti anni fa, il mio amico John Eargle mi sfidò a realizzare un modello di sistema driver/tromba, dato che avevo già sviluppato un simulatore per altoparlanti chiamato Speak. Pubblicai questo modello sul JAES (Journal of the Audio Engineering Society) e mi resi conto che per calcolare la direttività serviva conoscere la forma del fronte d'onda all'uscita.

Il problema era che l'equazione di Webster (WHE), usata all'epoca per le trombe, era monodimensionale e quindi insufficiente. Inoltre aveva assunzioni implicite che la rendevano inapplicabile alla maggior parte dei dispositivi. Iniziai quindi a ricercare coordinate 2D più adatte e scoprii che il sistema oblato sferoidale (OS) era ideale: richiedeva un fronte d'onda piatto alla gola, caratteristica perfetta per i driver a compressione. Ci sono molti altri profili che funzionano, come quelli sferici, ecc... ma richiedono fronti d'onda specifici alla gola (per esempio, i profili sferici richiedono un fronte d'onda sferico) oppure non producono risultati particolarmente interessanti. Le coordinate OS richiedono invece un disco piatto alla gola, che è ideale. I driver a cupola non soddisfano questa condizione ma vengono comunque usate spesso, con alcuni benefici.

Perché usare un driver a compressione invece di un semplice disco piatto per ottenere lo stesso risultato? In realtà, il primo test lo feci con un disco piatto, e dimostrò le mie ipotesi (scoprii che nel sistema era comunque presente una risonanza dovuta a una riflessione all'uscita della guida d'onda). Ma per il resto, l'idea funzionava bene. Tuttavia i driver a compressione hanno due vantaggi enormi: una banda utile più ampia e una potenza gestibile molto maggiore. Per l'home theater, dove servono alti SPL per riprodurre i livelli cinematografici, erano ideali.

Arrotondando il bordo dell'uscita e usando il profilo OS, ottenni un DI molto elevato, piatto e regolare, senza colorazioni. Negli anni questo approccio si è dimostrato quasi ottimale, confermato anche da simulazioni più avanzate.

Combinando l'alto DI della guida d'onda con quello di un grande woofer (e il giusto crossover), ho ottenuto un sistema con caratteristiche quasi ideali: SPL elevatissimi, risposta in frequenza regolare, DI alto, piatto e uniforme. Da quel momento non sono più tornato indietro, e i diffusori che ho progettato sono stati sempre molto apprezzati.

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Intervista al Dott. Earl Geddes

Una conversazione tra psicoacustica e alta fedeltà. Parte I