C’è vita oltre i 20.000 Hertz!

Categorie: Audio, Tecnologia
Commenti: 4 Commenti
Pubblicato il: 6 February 2014

In realtà lo sapevamo già tutti (almeno noi che lavoriamo sull’audio digitale), ma, visto che noi umanoidi sentiamo solo fino a circa 20.000 Hertz (e solo se abbiamo 10 anni e le orecchie lavate), spesso non ci pensiamo.

E così, quando circa 20 anni fa, munito di una scheda audio e un microfono in grado di acquisire il suono con una banda passante superiore ai 22.000 Hz (frequenza massima del CD e degli impianti Hi-Fi)il che, per la scheda, significa un campionamento ben maggiore dei classici 44100/48000 Hertz, oggetti piuttosto rari a quell’epoca) James Boik, del Caltech, ha analizzato lo spettro di alcuni strumenti musicali scoprendovi frequenze superiori ai 50.000 Hertz, tutti sono rimasti colpiti.

Due parole di spiegazione per i non addetti. La banda di frequenza riprodotta normalmente nell’audio digitale va da 0 a 22050 Hz per il CD e 24000 Hz per il DVD. Il che, considerando che gli umanoidi sentono fino a circa 20000 Hz quando sono bambini e crescendo perdono le frequenze alte (il 70enne medio non arriva a 15000 Hz), va bene.

Ora, per registrare audio che arriva a 20000 Hz, una apparecchiatura audio digitale deve lavorare a una frequenza molto superiore. Per la precisione, il doppio. Quindi, per registrare un suono per noi acutissimo a 20000 Hz, una scheda audio deve lavorare almeno a 40000 Hz. Il che significa che deve trattare almeno 40000 numeri al secondo per ogni canale di audio (80000 per un segnale stereo, 240000 per un 5+1) .

È una situazione analoga a quella del cinema. Un film non è altro che una sequenza di fotografie, cioè immagini fisse. Per avere la sensazione del movimento occorre superare la soglia oltre alla quale il nostro sistema occhio-cervello non è più in grado di percepire le singole immagini, ma ognuna si fonde con la successiva, dando l’illusione del movimento. Per la vista, questa soglia è di circa 25 immagini al secondo (è la frequenza del PAL cioè la televisione europea (lo standard americano NTSC, invece, va a poco meno di 30)). Tuttavia si è visto che con frequenze maggiori l’immagine è più nitida e la qualità è superiore, soprattutto nel caso di grandi schermi. Il cinema, quindi, adotta frequenze intorno ai 50/60 Hz e così ormai fanno i monitor da computer e le TV digitali.

Torniamo all’audio. La verità e che, se consideriamo che il DO più alto del pianoforte emette una nota la cui fondamentale è 4186 Hz (accordato sul LA = 440), basta arrivare alla quinta componente armonica per superare i 20.000 Hz e di armonici ce ne sono ben più di 5. Di conseguenza, tutti sapevamo che l’estensione spettrale delle note alte degli strumenti musicale superava la fatidica soglia del nostro sistema percettivo, ma nessuno immaginava che potesse accadere anche con note non così alte.

E invece la ricerca di Boik mostra, per esempio, che una tromba che suona un SIb con fondamentale a 465.4 Hz emette componenti armoniche che superano i 50 kHz oltrepassando la 100ma armonica con ampiezza, sì, bassa, ma non proprio banale.

Cliccate sulla figura qui sotto per ingrandirla e leggere la didascalia. L’articolo intero è qui.

trumpet spectrum

4 Commenti
  1. Luca says:

    Ottimo articolo, volevo solo puntualizzare in riferimento alla parte dell’articolo riguardante la similitudine con il cinema e la televisione che la frequenza di quadro (frame rate) è sempre 25 hz (Pal e Secam) e 29,97 (NTSC) e 24 per il cinema quello che cambia nel caso dei moderni monitor e proiettori cinematografici è la frequenza di aggiornamento (refresh rate) che varia dai 60 ai 200 hz circa. In pratica nel caso di un monitor con un refresh rate di 100hz che riceve un segnale trasmesso in PAL (25 hz) duplicherà la stessa immagine 4 volte ogni venticinquesimo di secondo.Mi era sembrato di intuire nel post che i 100hz siano il frame rate.Se ho capito male mi scuso.

  2. Non hai capito male, ma ti sbagli.
    Attualmente vengono sperimentati e a volte utilizzati frame rate superiori ai classici cosiddetti 24p, 25p, 30p che tu hai citato.
    Esempi tratti da http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_rate
    - 48p is a progressive format and is currently being trialed in the film industry. At twice the traditional rate of 24p, this frame rate attempts to reduce motion blur and flicker found in films. Director James Cameron stated his intention to film the two sequels to his film Avatar higher than 24 frames per second to add a heightened sense of reality. The first film to be filmed at 48 FPS was The Hobbit, a decision made by its director Peter Jackson.
    - 50p/60p is a progressive format and is used in high-end HDTV systems. While it is not technically part of the ATSC or DVB broadcast standards yet, reports suggest that higher progressive frame rates will be a feature of the next-generation high-definition television broadcast standards.
    - 300 FPS, interpolated 300 FPS along with other high frame rates, have been tested by BBC Research for use in sports broadcasts.

  3. Luca says:

    Grazie per la risposta,quindi penso di avere in parte ragione.Lo standard di trasmissione televisivo broadcasting alla data di oggi è di 25fps(PAL) in Europa ed è lo stesso dagli anni 30. Altri sistemi “futuribili” sicuramente saranno operativi in futuro tipo UHD 4k risoluzione 2160p a 120 FPS sia cavo/terrestre/satellite ,anche se per adesso ci sono dei problemi sul codec non standard H.251e sull’HDMI che gestisce fino al max. 30fps.e riguarderanno sia il terrestre che il satelitare.Sugli esperimenti fatti dalla BBC 300 fps (qualcuno è in grado di notare la differnza?)rigardano sicuramente la tv via cavo (fibra ottica)visto che per il satellite ed il terrestre una simile massa di dati richiederebbe multiplexer modello star trek ,ovvero,totalmente impossibili per la tecnologia esistente oggi(60mbit/secondo).Oppure in alternativa mandare in orbita un satellite quasi per ogni singolo canale televisivo,ma lo trovo economicamente improponibile.
    Per quanto riguarda il cinema hai ragione anche se bisogna fare dei distinguo: se è vero che alcune sale moderne hanno dei proiettori che permettono F.R. superiori a 24fps la stragrande maggioranza non li ha.Ed inoltre bisogna anche distinguere tra il F.R. girato da quello proiettato in quanto molti registi girano alcune scene particolarmente dinamiche ad un F.R. superiore e poi,quando verranno riprodotte a 24 0 48 risulteranno più veloci.
    Scusami per la divagazione eccessivamente logorroica ma il mio post iniziale voleva mettere in evidenza la differenza tra frame rate e refresh rate.
    Un cordiale saluto

    • Ciao,
      quello che dici è sicuramente vero per quanto riguarda la TV.
      Per il film, effettivamente, la cosa è diversa. I registi dei film di azione sentono da tempo la necessità di superare il muro dei 30 fps e ormai alcuni lo fanno, ma non solo su certe scene, bensì su tutto il film (non so se i formati di codifica attuali permettono di cambiare fps all’interno dello stesso file). Tutto Lo Hobbit è girato a 48 e a questo punto o la sala ha un sistema adatto oppure ne proietta una versione meno bella in 24 fps, sempre che il regista lo permetta.

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