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Quando si parla di audio professionale non si può fare a meno di nominare le linee bilanciate e le connessioni XLR. Una linea bilanciata non è altro che un semplice ed economico espediente tecnico per minimizzare i disturbi captati da una linea elettrica adibita al trasporto di segnali di bassa potenza, composta da cavi. Questo accorgimento risulta di vitale importanza quando siamo di fronte ad una linea di collegamento tra apparati audio di lunghezza elevata. Una linea bilanciata permette di preservare il nostro audio per la post successiva e può inoltre trasportare l’alimentazione Phantom necessaria per microfoni. E’ per questi motivi che in campo professionale non si può prescindere da sistemi che sfruttino tale tecnologia.

Disturbi ed interferenze
La domanda che ognuno in testa inconsciamente si potrebbe fare è: perché i cavi sono talvolta così complicati? Perché si usano costruzioni complesse invece di due semplici fili che collegano le apparecchiature? La spiegazione è presto detta, i cavi si comportano come delle antenne e più lunghi sono e maggiore è la possibilità che queste “antenne” captino segnali presenti nell’ambiente esterno. Come uno spezzone di filo o tubo metallico di lunghezza calcolata capta il segnale elettromagnetico che da voce alla radio o alla televisione, così una linea di cavi può captare i disturbi elettromagnetici ambientali. Il mondo in cui viviamo oggi è saturo di questi segnali, dalla semplice rete elettrica 230V~ 50Hz che alimenta le nostre case, ai segnali radio sopra citati, oppure a segnali indotti da apparecchiature non perfettamente schermate. Purtroppo la normativa non è così severa verso i disturbi elettromagnetici e la sua tolleranza fa sì che un semplice elettrodomestico munito di motore elettrico possa immettere nella linea, o peggio irradiare nell’ambiente, una quantità di disturbi detti EMI (Electro-Magnetic Interference) di entità tale da essere facilmente intercettati da un sistema di collegamento cablato.
Ecco che si è sentita da subito la necessità preservare il nostri sistemi (in questo caso parliamo di sistemi audio) e di minimizzare se non annullare questi segnali di disturbo o interferenza. Tanto più è debole la fonte del segnale da catturare e tanto più saranno importanti le precauzioni atte a ridurre le interferenze. Questo è di vitale importanza nel collegamento tra il microfono ed il preamplificatore; lo è di meno, se non inutile, in un collegamento tra amplificatore ed altoparlanti. Il motivo è semplice: un microfono genera dei segnali talmente deboli che sono assimilabili alle interferenze che un cavo può captare, amplificando questo segnale si amplificheranno purtroppo anche questi segnali indesiderati. Viceversa da un’uscita amplificata di un amplificatore finale di potenza si prelevano segnali talmente alti rispetto alle interferenze che quest’ultime non risultano percettibili. Inoltre essendo il segnale direttamente applicato al riproduttore, nello specifico ad una serie di altoparlanti, non viene introdotta nessuna altra amplificazione. Ecco il motivo per il quale in un collegamento di questo ultimo tipo si usa di solito un semplicissimo sistema bifilare non schermato.
Si comprende facilmente quindi che la minimizzazione dei disturbi è necessaria ogni qualvolta si introduca un’amplificazione dei segnali, quindi tra microfono > preamplificatore e tra preamplificatore > amplificatore finale.

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Metodi di riduzione dei disturbi
Tutti conoscono la semplice interconnessione a due fili con la quale si possono scambiare segnali di bassa potenza tra sistemi audio diversi, si tratta di linee composte solitamente da uno schermo metallico di fili di rame intrecciati, detto anche “calza”, collegato a massa (ovvero potenziale 0 Volt rispetto al segnale) ed un conduttore di segnale detto anche “centrale” perché lo schermo è disposto coassialmente rispetto ad esso. Esempi sono i collegamenti tra una scheda audio oppure un lettore CD o DVD ed un amplificatore.

CAVO SCHERMATO COMUNE

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Lo schermo funge da scudo contro le interferenze, minimizzandone l’entità e preservando il segnale principale. Questo tipo di linea è detta anche sbilanciata o asimmetrica ed ha come pro la semplicità, il basso costo di realizzazione e di gestione ed è utilizzato in tratti cablati relativamente brevi che collegano sistemi consumer, ovvero che gestiscono livelli di segnale preamplificati massimi di 316 mVrms (espressi anche come -10dBV). Gli svantaggi sono principalmente il fatto che su lunghi tratti di cavo l’effetto antenna rende la semplice schermatura del conduttore di segnale inefficace nei confronti delle interferenze elettromagnetiche. Si è reso quindi necessario un approccio diverso al problema.

La soluzione è arrivata con l’adozione delle linee e connessioni bilanciate. Una linea bilanciata consta di 3 fili: un conduttore con segnale diretto V+ (detto anche polo caldo), un conduttore con segnale invertito V- (detto anche polo freddo) ed uno schermo collegato a massa (detta anche GND dall’inglese “ground”).

CLASSICO CAVO BILANCIATObalanced_03

Il sistema è ingegnoso quanto semplice ed il funzionamento è il seguente: si hanno due cavi di segnale come detto, nel primo V+ scorre il segnale come è stato generato dalla fonte mentre nel secondo V- viene applicato lo stesso segnale ma invertito di fase, ovvero sfasato di 180° rispetto a quello originario. I disturbi captati dai due cavi lungo il tragitto saranno pressoché identici nei due conduttori, il metodo di riduzione dei disturbi consiste nel fatto che una volta che i segnali saranno arrivati a destinazione, ovvero all’ingresso del sistema di amplificazione, il polo V- verrà invertito e con esso i disturbi captati, quindi sommato al polo V+. Ricordiamo che il segnale su V- era già a sua volta stato invertito alla partenza, invertendolo di nuovo tornerà “in fase” con il segnale su V+, la somma dei due darà quindi 2V (ovvero il doppio del segnale V+). Di seguito alcune immagini che visualizzano una tipica forma d’onda sinusoidale con applicati dei disturbi indotti.

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Si nota facilmente che su V- risultano invertiti di fase anche i disturbi rispetto a V+ e la loro somma sarà quindi zero. Questa somma di tensioni può essere eseguita in modo attivo da un amplificatore differenziale in ingresso oppure in modo passivo da un trasformatore audio con presa centrale.

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Nota: per semplificazione grafica si è reso il livello del segnale rappresentato identico ai precedenti V+ e V-, in realtà l’ampiezza finale risulterà il doppio del segnale V+.

Sembra addirittura troppo semplice per essere vero, va detto invece che questo sistema è talmente efficiente da essere stato adottato anche in campo informatico nelle interconnessioni di rete ad alta velocità ed in molte altre applicazioni.
I vantaggi sono ovvi: immunità ai disturbi detti “di modo comune” ovvero presenti in eguale quantità su entrambi i conduttori, possibilità di trasmettere in una linea un segnale di 6 dB più alto, ossia il doppio in tensione. I contro sono un maggior costo dovuto alla necessità di un maggior numero di componenti nella gestione e nella trasmissione; va detto che ciò non disturba più di tanto in ambito professionale ed è proprio a questo settore che la tecnologia delle linee bilanciate si rivolge ovvero a sistemi che gestiscono segnali massimi preamplificati di 1.228 Vrms (espressi anche come +4dBu).

SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN INGRESSO BILANCIATO ATTIVObalanced_07

SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN INGRESSO BILANCIATO PASSIVObalanced_10

Le connessioni bilanciate XLR
Ogni tecnologia è caratterizzata dagli elementi e dai componenti che la compongono e quello che identifica da subito una linea bilanciata è senza dubbio l’interconnessione denominata XLR. I connettori detti anche Cannon, prendono il nome dalla prima azienda che li commercializzò. Sono connettori molto robusti ed in genere presentano un sistema di bloccaggio con antisganciamento.

Il pinout dei connettori, ovvero la tavola di connessione dei cavi nei rispettivi poli numerati, è standard ed è rappresentata con lo schema seguente:

1 – Massa (GND)
2 – Segnale V+ (polo caldo o normale)
3 – Segnale V- (polo freddo o invertito)

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CONNETTORI XLR VOLANTIbalanced_17

CONNETTORI XLR PANNELLObalanced_16

CAMERA CON PRESE XLR E SWITCH PER ALIMENTAZIONE PHANTOM

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L’alimentazione Phantom
Come accennato nei precedenti paragrafi, il sistema di collegamento bilanciato è tanto più importante quanto più deboli sono i segnali in gioco, risulta quindi ovvio che tale sistema sia di vitale importanza nei collegamenti tra microfono e preamplificatore. Le origini storiche sia del nome Phantom che del valore di +48V sono da ricercarsi nel fatto che la radio Norvegese negli anni ’60 richiese alla tedesca Neumann la fornitura di attrezzature audio che funzionassero alla stessa tensione dei loro esistenti sistemi. Prima di passare alla descrizione di che cosa è in realtà l’alimentazione Phantom va fatta una piccola premessa di ordine tecnico.

Esistono principalmente due grandi categorie di microfoni: dinamici ed a condensatore (detti anche Electret). I microfoni dinamici sono dei trasduttori che convertono le onde sonore in impulsi elettrici sfruttando un sistema che ricorda un altoparlante collegato al contrario. In pratica, come in un altoparlante la membrana vibra in funzione dell’impulsi elettrici presenti ai capi della bobina che la governa, così in un microfono dinamico vengono generati impulsi elettrici ai capi di una bobina grazie alle vibrazioni di una mini-membrana messa in moto dalle onde sonore. Ricordiamo che si dice trasduttore quel dispositivo che converte una forma di energia in un’altra, generalmente un’energia meccanica in energia elettrica. La bobina è immersa in un campo magnetico generato da un magnete permanente ed il suo movimento genera dei deboli segnali elettrici, dell’ordine di pochi milliVolt. I microfoni dinamici sono caratterizzati da una bassa sensibilità e sono generalmente usati dagli speakers durante le interviste o dai cantanti, applicati direttamente nelle estreme vicinanze della fonte sonora, la bocca. Non necessitano quindi di alcuna fonte di alimentazione per funzionare in quanto il segnale elettrico è auto-generato dal sistema bobina/magnete.
Diverse sono le cose per i microfoni a condensatore. Il principio di funzionamento si basa sulle variazioni di capacità di un condensatore costituito da due armature, una membrana fissa ed una mobile soggetta alle onde sonore. Queste variazioni di campo elettrico sono rilevate da un secondo stadio formato da un circuito preamplificatore, che può essere costituito da transistors FET o valvole, il quale amplifica il segnale elettrico generato. Sono caratterizzati da una alta sensibilità e per questo sono utilizzati nei microfoni direzionali per captare suoni distanti.

SCHEMA COSTRUTTIVO DI UN MICROFONO A CONDENSATORE

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Date le caratteristiche elettriche di tali dispositivi si rende necessaria una alimentazione del circuito interno che generi il campo elettrico utilizzato dal condensatore a membrana ed ecco che entra in gioco la nostra cosiddetta alimentazione Phantom. Questa funzione può essere benissimo svolta da semplici batterie, anche di basso voltaggio, ma generalmente in sistemi professionali su linea bilanciata si applica l’alimentazione Phantom di +48V, anche se in realtà molti dispositivi microfonici a condensatore accettano alimentazioni Phantom da +11V a +48V. Tale tensione elettrica viene applicata in eguale misura ai capi 2 e 3 in un connettore XLR di una linea bilanciata. Questo fa sì che sia disponibile per l’alimentazione dei circuiti ma che non disturbi l’amplificatore differenziale o il trasformatore d’ingresso del sistema.

SCHEMA DI PRINCIPIO DI UN SISTEMA DI ALIMENTAZIONE PHANTOMbalanced_13

Come abbiamo sinteticamente visto variando le tecnologie costruttive variano anche i sistemi di gestione, l’argomento richiederebbe un trattamento a parte, concludiamo mettendo a confronto le due tipologie di microfoni sul piano della risposta in frequenza. Quello che segue è un diagramma che paragona due microfoni che per molti non saranno nuovi, il primo lo Shure SM58 di tipo dinamico ed il secondo L’Oktava MK-319 a condensatore. Come si può notare un microfono a condensatore è generalmente caratterizzato da una migliore e più lineare risposta in frequenza, che si traduce in una maggiore fedeltà delle onde sonore catturate.

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Conclusioni
Questa semplice guida nel mondo dell’audio professionale e dei sistemi di riduzione delle interferenze non ha la pretesa di essere esaustiva, speriamo solo che sia utile per iniziare a conoscere i termini tecnici e per una futura ricerca di chi si vuole avvicinare a questo universo, il quale certamente meriterebbe una trattazione molto più approfondita.