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lunedì 14 maggio 2018

Spettro Elettromagnetico Di Dispositivi Tecnologici e Non: Bande e Frequenze

In acustica, la Frequenza è il numero che definisce quante volte al secondo oscilla un onda sonora (cioè l'inverso del Periodo T), si misura infatti in cicli al secondo, Hertz (Hz) in quanto scoperti dal fisico tedesco Heinrich Hertz (allo stesso si deve il concetto di onde elettromagnetiche, anch'esse si misurano in questo modo ma oscillano a frequenze ben maggiori).
I suoni in natura non sono caratterizzati da una singola frequenza con una sola ampiezza, ma da molte frequenze (e con un’ampiezza diversa).
Ciò rende diversi i suoni percepiti da due strumenti musicali diversi (anche se la nota suonata è la stessa).
Un accordatore per chitarra elettrica darà un tono puro (singola frequenza ed ampiezza).
La voce umana invece è una forma d'onda complessa.
Lo spettro di frequenza di una forma d’onda complessa è caratterizzato da molte componenti in frequenza, ciascuna con una diversa ampiezza.


ALTE E BASSE FREQUENZE
Suoni alti ed acuti, ad esempio un violino, un fischio, un sibilo, rombo di un motore che accelera (fa moti giri al secondo) sono alte frequenze.
Suoni gravi, bassi, come un trombone, un basso elettrico, un tuono in lontananza, le note prodotte da una chitarra (hanno un range di frequenze che va da 82 a 698 Hz) o un motore al minimo, sono basse frequenze.
I Router Wi-Fi hanno frequenze di 2.4 GHz (hanno il vantaggio di superare meglio gli ostacoli ma è più soggetto a disturbi ed interferenze, quali: altri Wi-Fi presenti in prossimità, telefoni cordless, bluetooth, trasmettitori per l'apertura di porte e cancelli automatici, etc) e 5 GHz (velocità di connessione maggiore ma il raggio di copertura della rete è molto minore).
Riguardo la telefonia mobile il 3 G, funziona con le bande da 900 MHz e 2100 MHz; il 4 G LTE "viaggia" su frequenze degli 800 (simili alle TV), 1800 e 2600 MHz (lo LTE advanced, invece, sfrutta la banda da 1500 MHz).
Il 5 G usa frequenze dai 3,4 ai 3,8 GHz con bande tra i 24 e i 28 GHz.
Le tecnologie RFID (Radio-Frequency Identification, identificazione in radiofrequenza) e NFC (Near Field Communication, comunicazione a corto raggio) utilizzati primariamente in ambito industriale, all'interno di magazzini per identificare bancali di merce oppure per pagamenti contactless (o per scambio dati a brevissima distanza, non più di una decina di centimetri) utilizzano frequenze radio similari. I chip a radiofrequenza possono lavorare su tre diverse bande, a seconda del ruolo che saranno chiamati a "svolgere": 130 kHz circa (bassa frequenza); 13,56 MHz (alta frequenza) e 860 MHz (ultra alta frequenza).
I chip NFC, invece, sfruttano esclusivamente la banda da 13,56 MHz.
A livello di sirene, ci sono alcune che raggiungono i 2500 Hz (127 dB).
Nella propagazione in aria, le basse frequenze hanno un “vantaggio” rispetto alla parte più alta dello spettro.
L’aria è un ottimo assorbente acustico alle alte frequenze, quindi produce una attenuazione di diversi decibel per distanze di alcune decine di metri.
Ad esempio per una distanza di 50 m alla frequenza di 10 kHz si possono avere tra sino a 14 dB di attenuazione a seconda dell’umidità dell’aria.
Questo è uno dei motivi per cui da una discoteca, in lontananza, si sentono maggiormente i "bassi" rispetto al resto della musica diffusa.


SEGNALI AUDIO E CAMPIONAMENTI
A livello di audio, si definiscono 4 zone, dette tecnicamente bande di frequenza: i bassi (20-200 Hz), i medio-bassi (200-1000 Hz), i medio-alti (1000-5000 Hz) e gli alti (5000-20000 Hz).
Il nostro apparato uditivo è in grado di percepire suoni compresi tra i 20 e i 20000 Hz.
Ciò ci permette di definire ultrasuoni quelli che oscillano a più di 20000 Hz e infrasuoni quelli sotto i 20 Hz (entrambi non sono percepibili).
Per poter registrare il segnale su un supporto digitale (ad esempio un CD audio) la frequenza di campionamento deve essere maggiore di 40 kHz (più precisamente 44.1 kHz, valore che soddisfa il teorema di Nyquist-Shannon e che consente di ricostruire fedelmente il segnale analogico di partenza, senza perdita di informazioni. Questo teorema afferma che la Frequenza di campionamento deve essere più del doppio della Frequenza più alta compresa nello spettro del segnale di partenza dal quale ricostruisco il suono).
Le frequenze di campionamento più comuni sono:

44.1 kHz (CD audio)
48.1 kHz (DVD)
88.2 kHz
96 kHz
192 kHz
Anche se le frequenze di campionamento più alte offrono una migliore resa sonora, ci sono dei problemi (tra cui maggiori carichi di lavoro per il processore, file audio più grandi).
Sarà quindi necessario qualche compromesso.
Per un home studio, la maggior parte delle persone utilizzano un’impostazione standard a 48 kHz.
Quando i bit vengono utilizzati per codificare informazioni, a ognuno di queste frequenze è assegnato un valore specifico.
Incrementando i bit, il numero di valori possibili cresce esponenzialmente.

4 Bit = 16 valori possibili
8 Bit = 256 valori possibili
16 Bit = 16.536 valori possibili
24 Bit = 16.777.215 valori possibili

A ogni valore è assegnato un’ampiezza specifica sull’onda audio.
Alla fine questo comporta che a una maggiore profondità di bit equivale un minor rumore (ma maggiore spazio utilizzato).
Gli audio digitali utilizzano un metodo di compressione dati “lossy”, mp3, AAC e altri formati sono compressi.
Il processo di codifica viene effettuato sfruttando un principio dell’udito umano noto come  “mascheramento uditivo“ (cioè vengono cancellate tantissime informazioni musicali, mantenendo comunque un livello accettabile di qualità sonora per la maggior parte degli ascoltatori).
L’esatta quantità di informazioni che verranno cancellate dipende dal bitrate del file.
Con i bitrate più alti, verranno rimossi meno dati e preservati più dettagli (l'informazione è maggiore ma maggiore è anche lo spazio occupato sul disco locale o CD).

Per esempio, con gli mp3:
128 kbit/s è il minimo raccomandato
256 kbit/s è il giusto compromesso per la maggior parte delle persone
320 kbit/s è il massimo bitrate possibile

2 commenti:

  1. Articolo interessante, come sempre. Siete uno dei miei punti di riferimento.

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