Fedele De Marco è un professionista attivo nel campo dell’audio professionale e dell’acustica. Da diversi anni si occupa di ricerca e divulgazione in materia di acustica applicata e sui temi del disegno&tuning di sistemi di rinforzo sonoro, sia attraverso le pagine del proprio blog (illatooscurodellafase.wordpress.com) che attraverso seminari e workshop di formazione. La linea portante della sua attività è quella di riportare l’attenzione nei confronti della complessità della realtà e del fenomeno sonoro rivalorizzando il contributo di tecniche, software e metodologie, quali estensione dell’intuito e dell’esperienza dell’operatore.
In questo articolo – una sintesi di quanto pubblicato sul network www.prosoundtraining.com con cui Fedele collabora – ci illustra il concetto di propagazione delle basse frequenze generate dal sistema di rinforzo sonoro e come varia con la presenza o meno di pubblico, evidenziando un comportamento in cui l’audience, tra i suoi vari altri effetti, assume le proprietà di un vero e proprio strato di materiale poroso che, al crescere di dimensioni e densità, rallenta la propagazione dei fronti d’onda in bassa frequenza.
Nel corso degli anni, nella mia esperienza di tuning dei sistemi di rinforzo sonoro in live concert, non è stato raro osservare che, dopo le regolari operazioni di ottimizzazione con FFT analyzers, fonici di una certa esperienza rilevassero una sensazione di un sistema “non allineato” in bassa frequenza, tra una situazione a sala vuota (sound check) e quella a sala piena. La sensazione segnalata era quella che i subwoofer fossero maggiormente “ritardati” a sala piena.
Array di subwoofer sono comunemente impiegati per il rinforzo in bassa frequenza del programma musicale nei concerti ed eventi di grandi dimensioni, come estensione verso le basse frequenze del sistema audio principale. Spesso tali array di subwoofer, sono disposti a terra, davanti al palco o ai lati dello stesso. L’ottimizzazione dei sistemi di rinforzo sonoro in un concerto live, consiste in una serie di procedure che vedono l’impiego di FFT analyzer quali ©Systune, ©Smaart, ©RITA, etc (1).
Gli effetti dell’audience sull’acustica delle sale sono ben conosciuti da tempo. Numerose sono infatti le ricerche condotte in tal senso (2), così come sono ben noti gli effetti di temperatura ed umidità sulla propagazione del suono sulle alte frequenze.
Esistono alcuni studi anche sugli effetti di distribuzione e densità dell’audience sulla variazione in termini di SPL dell’energia proveniente dai subwoofer (3). Non è stato possibile però rintracciare studi, ricerche e scritti che potessero spiegare la riportata variazione temporale.
La presente ricerca si prefigge di illustrare come la platea, comportandosi da strato di materiale poroso, sembri rallentare i fronti d’onda generati dai subwoofer. Vengono pertanto effettuate misure, in concomitanza di performance live, in contesti che variano da alcune centinaia a qualche migliaio di
persone. Vengono inoltre sperimentate varie tipologie di configurazioni, per verificare il variare di tali effetti al variare della distribuzione di subwoofer.
L’articolo è suddiviso in una parte principale, con le misure dell’autore ottenute in concomitanza di due eventi con pubblico seduto ed in piedi e con subwoofer disposti in linea centrale, ed una parte con le misure ottenute da Emiliano Di Marco, in due eventi con subwoofer in linea ed in una classica configurazione LR rispettivamente.
Per una maggiore chiarezza, occorre definire in maniera sintetica alcuni concetti che sono citati in questo lavoro e che possono aiutare nella sua migliore comprensione.
“Allineamento” tra main e subwoofer con FFT analyzer.
Il procedimento del c.d. “allineamento” con FFT analyzer di un main con un array di subwoofer, consiste essenzialmente nel fare in modo che i contributi dei due sistemi arrivino sincronizzati nel tempo, frequenza per frequenza della porzione di spettro condivisa, nella zona di crossover acustico.
Il crossover acustico è il punto dello spazio in cui i due sistemi sonori interagiscono ad uguale livello e sono tra loro “in fase” ovvero, come abbiamo già detto, sincronizzati nel tempo frequenza per frequenza (“in fase” and “in time”), per le frequenze dello spettro che essi condividono.
Per garantire tale ottimizzazione, occorre dunque uno strumento che sia una sorta di “zoom temporale” nel dominio della frequenza. Abbiamo bisogno di qualcosa che ci riveli una informazione dettagliata di Tempo a partire dal nostro sguardo nel Dominio della Frequenza. In questo viene in soccorso la traccia della fase delle misure di Transfer Fuction dei moderni FFT Analyzers.
Un approfondimento dei concetti di traccia della fase e delle metodologie di tuning dei sistemi sonori, esula da questa trattazione. Ci è sufficiente qui sapere che, pur essendo lo traccia della fase uno sguardo nel dominio della frequenza e “time blind”, riusciamo a ricavare da essa una informazione “temporale”.
Traccia della fase in Smaart. La traccia della fase è “Time Blind”
Nella traccia della fase direttamente leggiamo infatti solo una un’informazione in termini di “Phase Shift” su frequenza, ma una informazione temporale la ritroviamo indirettamente nella sua pendenza. Il concetto di Phase Shift è infatti legato ad un concetto di Tempo su Frequenza.
Tendenzialmente abbiamo che una maggiore pendenza della traccia della fase, denota maggiore ritardo. Questo vale per la risposta misurata di un singolo sistema (osservando le relazioni tra le varie frequenze e porzioni di spettro all’interno della stessa traccia) o nel caso in cui confrontiamo più risposte di sistemi
differenti. In quest’ultimo caso, la traccia di fase con maggiore pendenza è relativa al sistema che risulta maggiormente “ritardato”.
Semplificando molto, nell’ottimizzazione ed allineamento tra un sistema di subwoofer ed un sistema main facciamo in modo che, guardando alle risposte in fase dei singoli sistemi, le tracce abbiano la stessa pendenza ed overlapping nella regione dello spettro da loro condivisa.
Materiale poroso
Non è scopo di questo lavoro descrivere nel dettaglio le caratteristiche acustiche dei materiali porosi. Esiste una grande bibliografia sull’argomento, facilmente rintracciabile in internet e cui si rimanda (4). Quello che interessa conoscere qui è che in un materiale poroso la velocità del suono è direttamente correlata alla struttura dello stesso in maniera molto più incisiva di quanto avviene nell’aria.
Se nell’aria infatti la velocità del suono è fondamentalmente legata alla Temperatura e Umidità, in un materiale poroso essa è inversamente proporzionale alla densità del suo strato.
Assumendo il caso semplice di onde longitudinali la velocità di propagazione CL dipende solo dalle caratteristiche meccaniche del mezzo, per cui se E è il modulo di elasticità (di Young), v è il modulo di Poisson e p è la densità, abbiamo:
Interessante è anche richiamare il concetto di tortuosità, caratteristica dei materiali porosi che sembra rientrare in maniera forte nei fenomeni qui descritti. Per tortuosità si vuole intendere il percorso dei fronti d’onda che attraversano il pubblico e che sono obbligati a farsi strada tra i corpi degli spettatori. In questo percorso essi subiscono anche assorbimento e mutano nelle loro caratteristiche. Una descrizione dettagliata del fenomeno della “tortuosità”, la potete trovare nei riferimenti indicati (5-6).
Qui troverete anche un simulatore con cui sperimentare direttamente il concetto di tortuosità dei cammini dei flussi di aria attraverso il mezzo poroso, in funzione della sua densità.
Effetti dell’audience
Si può immaginare il pubblico, visto su grande scala, come un corpo unitario di grande volume introdotto nella sala, simile ad un grande pannello fonoassorbente. Un grande pannello di materiale poroso assorbente, la cui struttura aumenta di densità all’aumentare del numero di spettatori e della loro distribuzione nello spazio.
Quando una sala è vuota, la propagazione del suono prodotto dall’array di subwoofer verso il front of house avviene, nel caso più semplice, secondo la via più breve. Nell’immagine seguente si illustra l’Arena Cava Del Sole di Matera, venue che ha ospitato gli eventi in test (7):
- Evento del 18 Luglio 2019, con circa 2000 persone sedute;
- Evento del 19 Luglio 2019, con circa 4000 persone, in piedi.
La venue che ha ospitato parte della seguente ricerca: Arena Cava del Sole, Matera (Italy). Componente diretta a sala vuota
Con la presenza del pubblico la situazione cambia. Parte dei fronti d’onda, nel loro percorso verso il FOH, si propagano al di sopra delle teste degli spettatori o lateralmente, percorrendo distanze maggiori.
All’aumentare del pubblico, aumenta la superficie aggiunta nella sala. Maggiore superficie significa maggiore distanza percorsa e quindi maggiore tempo di arrivo al FOH.
Le due componenti principali di propagazione dei fronti d’onda generati dal sistema di subwoofer
Una seconda componente dei fronti d’onda attraversa invece lo strato di pubblico. Qui si innescano i fenomeni elencati nel paragrafo precedente, ovvero la variazione di velocità per maggiore densità e per maggiore tortuosità del materiale poroso.
I fenomeni di tortuosità dei fronti d’onda variano con il variare della densità del pubblico (numero di persone e loro addensamento); con pubblico seduto ad esempio la tortuosità sarà generalmente minore rispetto ad un pubblico in piedi e compattato.
Maggiore tortuosità significa maggiore tempo di percorrenza da parte dei fronti d’onda, che sono obbligati a farsi strada tra le persone. In questo contesto, parte dell’energia sonora viene anche assorbita e accumulata dall’audience.
All’interno di uno strato poroso, la velocità del suono subisce un rallentamento a causa della densità crescente del mezzo assorbente. Nel concerto in piedi, dove nello spazio tra FOH e palco erano addensate 4/5.000 persone, si è assistito al maggior aumento in termini di phase shift (maggiore pendenza della
traccia della fase rispetto alla situazione di riferimento a sala vuota).
Misure
Si sono scelte due tipologie differenti di evento, una con pubblico seduto (il 18 Luglio 2019), ed una con pubblico in piedi (il 19 Luglio 2019). In entrambi i casi si è misurato il sistema sonoro residente che, per quanto riguarda le basse frequenze era costituito da un array di subwoofer in linea cardioide gradiente
arcuata elettronicamente.
L’array di subwoofer in linea cardioide gradiente, arcuata elettronicamente.
Realizzare misure in un concerto è difficile, data la possibilità di infastidire pubblico e produzioni degli artisti. Misurare il main, anche solo con segnale filtrato, avrebbe comportato fastidio e disagi. C’è da considerare inoltre che le sale si riempiono sovente poco prima dell’inizio dello spettacolo. Si è proceduto pertanto alla misura dei soli subwoofer.
Sono state effettuate misure di Transfer Fuction e di Impulse Response (in questo articolo sintetico non riportate) con Smaart.
Sono stati utilizzati due microfoni di misura tra loro simili per caratteristiche e sensibilità. I microfoni sono stati fissati alla struttura Layher del FOH: uno superiormente, al di sopra delle teste degli spettatori, ed uno inferiormente vicino al piano di calpestio.
Visualizzazione dei punti di attacco dei due microfoni, superiore e inferiore
Particolare del microfono inferiore
Particolare del microfono superiore
Sono state effettuate varie misure per ogni sera, partendo da condizioni di sala vuota e fino a ridosso dell’inizio degli spettacoli. Qui si illustreranno i risultati solo di tre misure: una pomeridiana a sala vuota, una a ridosso dell’inizio degli spettacoli (sala piena), ed una relativa ad una situazione intermedia.
L’analyzer è stato sincronizzato solo per le misure a sala vuota. Le tracce di fase di queste misure, una volta salvate, hanno rappresentato dunque il “time zero” di riferimento per tutte le misure successive.
Nella serata del 18 Luglio sono state presenti circa 2000 persone, sedute e distribuite uniformemente lungo tutta la venue (Figura 11). Nella serata del 19 Luglio si è addensato progressivamente un numero di circa 4/5.000 persone.
Concerto con pubblico seduto – 18 Luglio 2019
Visione panoramica d’insieme dell’Arena Cava del Sole e della distribuzione delle sedute
Di seguito sono illustrati i tre momenti in cui sono state ottenute le misure e la situazione della sala:
Andamento del pubblico nell’evento del 18 Luglio 2019
Posizione microfonica superiore – Transfer Fuction
Nella immagine che segue, nella stessa finestra di fase di Smaart, sono visibili tutte le misure contemporaneamente, relative alla posizione microfonica superiore. Come si può notare, un evidente progressivo e significativo aumento di Phase Shift si manifesta all’aumentare del pubblico.
Le misure alla posizione microfonica superiore a confronto
È significativo l’incremento tra la misura del pomeriggio e la misura delle 19:55, con uno sbalzo termico di circa una decina di gradi. Ma sono altrettanto significativi gli incrementi successivi, nonostante variazioni di temperatura di un solo grado e di nessuna variazione in termini di temperatura, come nel caso della
differenza tra le misure tra le 20:22 e le 20:45.
Posizione microfonica inferiore – Transfer Fuction
Di seguito tutte le misure di Transfer Fuction relative alla posizione microfonica inferiore:
TF relative alla posizione microfonica inferiore
Anche in questo caso assistiamo ad un progressivo phase shift all’aumentare del pubblico e l’effetto è molto più marcato.
PUBBLICO IN PIEDI – 19 Luglio 2019
Il 19 Luglio si è tenuto in Cava del Sole, un concerto pop/rock, con una affluenza di circa 4/5.000 persone in piedi. Di seguito la foto aerea dell’area.
Arena Cava del Sole, per l’evento del 19 Luglio 2019
Il pubblico ha occupato in serata, l’intera area tra FOH e palco.
Posizione microfonica superiore- Transfer Fuction:
Situazione progressiva della sala e del pubblico:
L’andamento del pubblico nell’evento del 19 Luglio 2019. Concerto Subsonica
Posizione microfonica superiore – Transfer Fuction
Confrontiamo le tre misure nella stessa schermata:
TF relative alla posizione microfonica superiore
Posizione microfonica inferiore – Transfer Fuction
Le condizioni e tempi di misura sono gli stessi precedenti:
TF relative alla posizione microfonica inferiore
In questo caso appaiono molto più incisivi gli effetti dello strato di pubblico, enormemente maggiore rispetto alla situazione del precedente spettacolo e tutto addensato tra FOH e subwoofer.
Si denota un significativo phase shift nella risposta dei subwoofer, non giustificabile dalle variazioni di temperatura ed umidità.
Anche se le condizioni sono variate e le posizioni microfoniche non esattamente uguali, si potrebbe tentare di confrontare le misure a sala vuota con quelle a sala piena, delle due tipologie di concerto. In questo caso ci concentriamo sui trend generali:
Confronto tra misure microfono superiore e inferiore, pre-concerto, delle due giornate del 18 e 19 Luglio
Appare evidente come il numeroso pubblico in piedi del giorno 19 Luglio, comporti i maggiori effetti in termini di ritardo per la componente che lo attraversa.
Anche per la componente che passa al di sopra delle teste del pubblico, si denota un maggior ritardo (dovuto ricordiamo alla maggiore superfice percorsa) nella situazione del concerto con maggior numero di persone.
Misure effettuate da Emiliano Di Marco
Concerto Pop Rock con pubblico seduto e subwoofer in configurazione in linea ed arco elettronico, collocati davanti al palco:
Concerto N 1. Pubblico seduto, subwoofer in linea
Microfono superiore – Transfer Fuction
Misure per la posizione microfonica superiore
Risulta confermato il trend esposto nella prima parte.
Confrontiamo ora la misura delle ore 22:40 con pubblico seduto e quella con pubblico in piedi a fine concerto per il bis. Nessuna variazione di temperatura ed umidità è intercorsa tra le due.
Confronto delle misure delle ore 22:40 con pubblico seduto e del momento del bis a fine concerto, con pubblico in piedi. No Variazioni di temperatura ed Umidità.
Come si può notare, pur non essendo variati sensibilmente temperatura ed umidità, l’addensamento del pubblico in piedi davanti il FOH e l’array di subwoofer, determina un aumento della densità dello strato di pubblico e della tortuosità dei flussi all’interno di esso.
Microfono inferiore – Transfer Fuction
Di seguito le misure catturate negli stessi istanti dal microfono inferiore:
Le misure relative al microfono superiore
CONCERTO N 2 – Subwoofer in configurazione LR
Concerto n 2. Pubblico in piedi – Subwoofer in Stack LR
Concerto Pop, pubblico in piedi. Subwoofer in configurazione LR, cardioide gradiente a stack invertito.
In questo concerto sono state realizzate solo due misure, a sala vuota nel tardo pomeriggio e poco prima dell’inizio del concerto.
Le misure sono state realizzate con un solo microfono collocato a terra.
Microfono a terra. TF a sala vuota e sala piena
Anche in questo caso sono confermati tutti i trends e le osservazioni delle precedenti misure.
Appare evidente come le configurazioni in LR, sembrino enfatizzare meno gli effetti dell’audience.
In questo concerto è accaduta anche una situazione particolare.
Emiliano ha realizzato una misura poco prima della fine dello spettacolo, nel momento in cui varie persone hanno lasciato i loro posti per mettersi in piedi di fronte al palco. La traccia della fase denota minore phase shift e si colloca tra le tracce “No Pubblico ore 19” e “Inizio, pubblico seduto”.
La traccia intermedia della fase, è relativa alla misura con il pubblico parzialmente in piedi davanti al palco
Il pubblico che si è alzato per raggiungere il fronte palco, ha dilatato gli spazi residui riducendo la tortuosità e la densità della precedente situazione.
Conclusioni
La seguente indagine ha evidenziato come i fronti d’onda generati da un array di subwoofer in un concerto, subiscono un rallentamento nel loro percorso verso la postazione FOH.
Per la citata componente superiore, tale ritardo è minore ed è da ricercare essenzialmente nella maggiore superficie percorsa dagli stessi. La condizione di alta densità di pubblico in piedi rappresenta la situazione in cui si ha maggiore evidenza del fenomeno.
Per quanto concerne la citata componente che attraversa il pubblico invece, gli effetti misurati sono risultati ovviamente più gravosi in tutte le tipologie di eventi.
Il pubblico in piedi e numeroso del concerto del giorno 19 Luglio, determina gli effetti di complessivo maggiore phase shift.
Le variazioni di temperatura ed umidità – di per sé poco influenti sul range delle basse frequenze – si dimostrano altrettanto ininfluenti nell’economia complessiva dei fenomeni osservati, se non in minima parte nel passaggio dalle assolate ore pomeridiane alle prime misure serali (occorre tenere presente che anche il riscaldamento della struttura layer e degli stessi microfoni, ha influito sul forte phase shift misurato nelle prime misure pomeridiane).
Sembrerebbero proprio i fenomeni di tortuosità e della porosità assorbente del pubblico a determinare gli effetti riscontrati, fortemente presenti anche in presenza di nessuna variazione di temperatura
E’ anche emerso, in linea generale, che le configurazioni di subwoofer in linea davanti al palco, determinino maggior incremento di phase shift rispetto a configurazioni tradizionali LR, con subwoofer collocati sotto i main.
Le misure effettuate sono di tipo relativo ed indiretto, eseguite con gli ordinari strumenti di tuning a corredo di ogni operatore del settore, per individuare un metodo semplice e ripetibile,
facilmente verificabile da tutti.
Appare evidente però che occorre individuare strumenti e metodologie in grado di misurare direttamente tali variazioni di velocità e gli effetti della tortuosità.
Fedele De Marco
Riferimenti:
(1) Smaart: https://www.rationalacoustics.com/smaart/about-smaart/ AFMG SysTune: https://systune.afmg.eu/ RITA: https://www.gaudiosolutions.com
(2) – “ACOUSTIC PHENOMENA ASSOCIATED TO THE AUDIENCE” Ivana Rossell, Cristina Vicent Enginyeria i Arquitectura La Salle, Universitat Ramon Llull. – Arau, Higini, ABC de la acústica arquitectónica, Ediciones Ceac. – Barron, Michael, Auditorium acoustics and architectural design, E&Fn Spon – Beranek, L.L, (1996), Concert & Opera Halls, (Acoustical Society of America) – Carrión Isbert, A, Diseño acústico de espacios arquitectónicos, Ediciones UPC, 1998. – D. Takahashi (1997). “Seat dip effect: The phenomenon and the mechanism”. J. Acoust. Soc. Am. 102,1326-1334. – J. S. Bradley (1991). “Some further investigations of the SEAT dip effects”. J. Acoust. Soc. Am. 90, 324-333. – K. Ishida, K. Sugino, and I. Masuda, “On the sound reflection of the auditorium seats,” Proc 13th I.C.A, Belgrade (1989), vol.2, 157-170. – Schultz, T. J. and Watters, B.G., J (1964). Acoust. Soc. Am. 36, 885 – W. J. Davies and T. J. Cox (2000). “Reducing seat dip attenuation”, J. Acoust. Soc. Am. 108, 2211-2218. – W. J. Davies and Y. W. Lam (1996). “New attributes of seat dip attenuation”. – W. J. Davies, T. J. Cox, and Y. W. Lam (1996). “Subjective Perception of SEAT dip attenuation”. Acústica. 82, 784-792. – Y. Ando, M. Takaishi, and K. Tada (1982). “Calculations of the sound transmision over theater seat and methods for its improvement in the low frecuency range”. J. Acoust. Soc. Am. 72, 443-448
(3) ElenaShabalina,MichaelVorländer. Influenceofaudienceonpropagationofsoundatlowfrequencies. Acoustics 2012, Apr 2012, Nantes, France. hal-00811159
(4) – Biot, M. A. Theory of elastic wave propagation in a fluid saturated porous solid. I. Low-frequency range, J. Acoust. Soc. Am., 28 (2), 168–178, (1956). http://dx.doi.org/10.1121/1.1908239 – Biot, M. A. Theory of elastic wave propagation in a fluid saturated porous solid. II. Higher-frequency range, J. Acoust. Soc. Am., 28 (2), 179–191, (1956). http://dx.doi.org/10.1121/1.1908241 – Embleton, T. F. W., Piercy, J. E., and Olson, N. Outdoor sound propagation over ground of finite impedance, J. Acoust. Soc. Am., 59 (2), 267–277, (1976). http://dx.doi.org/10.1121/1.380882 – Allard, J. F. and Atalla, N. Propagation of Sound in Porous Media: Modelling of Sound Absorbing Materials, 2nd edition, John Wiley & Sons, Chichester, UK (2009). – Miki, Y. Acoustic properties of porous materials: Generalization of empirical models, J. Acoust. Soc. Jap. (E), 11, 25–28, (1990). http://dx.doi.org/10.1250/ast.11.25
(5) http://www.ift.uni.wroc.pl/~maq/poster2017/?fbclid=IwAR1Pqkfjm1hfZq2GJVkR MfPa9LH5joB8Jgc8k3Uz_9s14ymTXGXVcCpTohY (6) Matyka, M., Koza, Z., & Gołembiewski, J. (2014). The velocity distribution in a random porous medium.
(7) https://www.cavadelsole.it
