Nell'elaborazione dei segnali audio, la compressione del livello audio (indicato anche come compressione dinamica, o compressione dell'intervallo dinamico) è il processo che modifica dinamicamente il livello del segnale audio per la compressione, l'espansione, la limitazione, la riduzione del rumore di fondo (o noise-gating). La compressione consente di migliorare la riproduzione del segnale adattandola al canale trasmissivo o al dispositivo di riproduzione, specie se a dinamica limitata; eliminando o riducendo disturbi ambientali dovuti per esempio a molti microfoni aperti, o sopprimendo fastidiose sonorità sibilanti nel voce. Il ricorso alla compressione avviene anche per esigenze artistiche per effetti audio basati sulla regolazione della dinamica del segnale.
Descrizione generale La compressione è utilizzata durante la registrazione in studio, oppure in applicazioni come rinforzo del segnale dal vivo, o ancora in trasmissione radiofonica al fine di ottimizzare il livello del segnale sonoro, in modo che esso venga percepito al meglio, qualunque sia il sistema di riproduzione in uso. Si tratta di un sistema utilizzato per ridurre l'escursione dinamica di un segnale: tale intervento può incidere sulla fedeltà del suono.
La compressione viene attuata tramite un apparecchio elettronico che realizza un controllo automatico del livello di un segnale audio, con lo scopo di ridurlo. In origine esso è nato per modificare i segnali in uscita da microfoni e trasmettitori audio, al fine di evitare eventuali distorsioni d'ampiezza che potrebbero verificarsi durante la ripresa e che impoverirebbero significativamente la qualità. Un caso particolare di compressione è il limiter (limitatore), che comprime in modo estremamente veloce e garantisce l'abbattimento del livello in caso di picchi.
Il compressore appartiene alla famiglia dei cosiddetti processori della dinamica: si distinguono in questa l'espansore, che esegue la funzione inversa (ovvero aumentare l'intervallo dinamico) e il gate, suo caso particolare.
Principio tecnico
La compressione agisce tramite un'operazione di controllo automatico selettivo del volume che tende a ridurre l'intervallo dinamico del segnale audio per renderlo compatibile con le limitazioni tecniche delle apparecchiature specifiche e per migliorare l'udibilità in ambienti rumorosi. I suoni più forti che superano una certa soglia vengono ridotti di volume, mentre i suoni deboli non vengono modificati: tale processo è conosciuto come "compressione verso il basso" (downward compression). Specularmente, un intervento che amplifichi i segnali che giungono deboli all'ingresso e non intervenga su quelli che abbiano già un livello elevato è chiamato "compressione verso l'alto" (upward compression). La compressione viene utilizzata per rendere più tollerabili sia le parti forti sia quelle più deboli con uno stesso volume d'ascolto, a differenza di un'amplificazione o un'attenuazione linearmente uniformi su tutto l'intervallo dinamico che porterebbero o a rendere eccessivi i livelli più forti o a rendere inaudibili i livelli più deboli.
Un compressore riduce l'intervallo dinamico di un segnale audio se la sua ampiezza supera una certa soglia. L'ammontare della riduzione di guadagno è determinata dal fattore di compressione (ratio). Per esempio, con un fattore di 4:1, un valore efficace del segnale in entrata sopra la soglia produrrà un livello del segnale in uscita di sopra la soglia, con una riduzione del livello di uscita pari a . Come ulteriore esempio, un valore di sopra la soglia genererà un segnale d'uscita di oltre la soglia. Questo comportamento è da confrontare con il processo complementare di espansione del livello audio, che aumenta l'intervallo dinamico di un segnale se la sua ampiezza scende sotto una certa soglia.
Un esempio più specifico per un fattore di compressione (ratio) di 4:1: Soglia = -10 dB Ingresso = -6 dB (4 dB sopra la soglia) Uscita = -9 dB (1 dB sopra la soglia)
Un compressore deve essere dotato di altri circuiti: un rivelatore analizza il segnale audio da trattare e produce il cosiddetto side chain, o segnale di controllo, che andrà ad agire sul circuito di controllo del livello.
Nella pratica sono comunemente usate tecniche di processamento di segnale digitale (DSP) per implementare la compressione attraverso editor audio digitali o workstation dedicate.
Funzionamento Per modificare la dinamica del segnale audio in ingresso si usa un amplificatore il cui guadagno è inversamente proporzionale all'ampiezza del segnale in ingresso.
È possibile classificare i sistemi di compressione in base alla tecnologia impiegata per ottenere la riduzione del guadagno. Sono individuabili almeno 5 possibili tipologie: compressori a VCA. compressori a JFET. opto-compressori. compressori a mu variabile. compressori a diodi.
Compressori a VCA Il compressore a VCA (voltage controlled amplifier) si basa su un amplificatore controllato in tensione. In questo caso si fa uso di un componente attivo che è appositamente costruito per questo scopo: presenta cioè un ingresso in tensione che agisce intrinsecamente sul guadagno del sistema. Tale soluzione consente di ottenere un funzionamento più trasparente, nel quale i parametri caratteristici (attacco, rilascio ecc...) non dipendono dalla particolare tecnologia impiegata per ottenere la riduzione di guadagno. I primi compressori a VCA sono stati ideati dall'azienda DBX (per esempio, il modello DBX160/165); fra i più popolari sono da citare l'API 2500 e l'SSL G-Series Bus (Glue) Compressor.
Compressori a JFET Normalmente il circuito è costituito da una cella di attenuazione seguita da un normale amplificatore. Il transistor a giunzione a effetto di campo può funzionare come un resistore variabile; esso viene inserito nella cella e pilotato in modo da aumentare l'attenuazione di ingresso, e ottenere quindi la riduzione di volume desiderata. In questo caso il guadagno dell'amplificatore non viene in realtà alterato. Un esempio realizzativo è l'UREI 1176.
Opto-compressori Questi sistemi sfruttano un elemento semiconduttore sensibile alla luce (fotoresistenza). Anche in questo caso il componente è inserito in una cella di attenuazione. L'illuminazione del componente provoca una consistente variazione della resistenza elettrica, e quindi un effetto simile al caso precedente. Il comportamento di tali sistemi consente di ottenere risultati sonori più piacevoli all'ascolto: tali effetti dipendono dalla relativa lentezza di risposta dei componenti optoelettronici. Appartengono a questa tecnologia i modelli Teletronix La2 e Tube-Tech cl1B.
Compressori a mu variabile La compressione sfrutta il fenomeno per cui il guadagno intrinseco di una valvola non è rigorosamente costante, essendo in parte funzione della corrente di polarizzazione. Tramite un sistema automatico è possibile alterare questo parametro, ottenendo la riduzione di guadagno dell'amplificatore. Questo tipo di sistema è stato il primo ad essere introdotto. Esempi di questa tecnologia sono i modelli ALTEC 436, GATES STA level, FairChild 670 ed il Manley Stereo Variable Mu Limiter Compressor.
Compressori a diodi Questa soluzione sfrutta la conduzione asimmetrica di un diodo a semiconduttore. Il diodo viene polarizzato in modo che normalmente non sia in conduzione. Una volta superata la soglia il diodo cambia stato e inizia a condurre, modificando il guadagno dell'amplificatore. Tale strategia viene usata principalmente nei limitatori, a causa dell'estrema velocità di intervento. Es.: Zener TG12413.
Caratteristiche del compressore Soglia
La soglia (threshold) è il livello sopra il quale il segnale viene ridotto. Viene comunemente impostato in dB, dove un valore basso (ad esempio ) farà in modo che venga trattata una porzione più ampia del segnale (in contrasto con un valore più alto della soglia, come ad esempio -5 dB).
Rapporto di compressione Il rapporto di compressione (ratio) determina il rapporto ingresso/uscita per i segnali sopra la soglia. Per esempio, con un rapporto 4:1, un segnale che supera la soglia di uscirà dal compressore a sopra la soglia. Il valore limite :1 è comunemente ottenuto utilizzando un rapporto reale di 60:1, cosicché ogni segnale sopra la soglia sia abbassato al livello della soglia stessa (se si esclude il breve periodo che segue un repentino aumento, noto come attacco, dell'ampiezza del segnale d'ingresso). Un compressore operante con rapporti superiori a 15:1 si comporta, di fatto, come un limitatore.
Attacco e rilascio
Un compressore può permettere di intervenire sulla rapidità di reazione alle variazioni del segnale d'ingresso. Il tempo impiegato dal compressore a ridurre il guadagno fino a raggiungere il livello indicato dal rapporto di compressione è chiamato attacco. Il tempo di rilascio, al contrario, corrisponde alla fase in cui il compressore aumenta il guadagno in modo da raggiungere il livello indicato dal fattore di compressione (o a , una volta che il segnale d'ingresso è sceso sotto la soglia). La lunghezza di entrambe le fasi è determinata dall'entità del cambiamento nel segnale d'ingresso e dalla corrispondente modifica del guadagno. Per rendere la regolazione più intuitiva, i controlli di attacco e rilascio sono spesso tarati in unità di tempo (normalmente millisecondi). Questo è il tempo che verrà impiegato dal guadagno per crescere o diminuire di un certo numero di dB, fissato dal costruttore e spesso pari a . Per esempio, se le costanti di tempo fanno riferimento a e il tempo di attacco è impostato a , ci vorrà affinché il guadagno diminuisca di e affinché si riduca di . In molti compressori i tempi di attacco e rilascio sono regolabili dall'utente; alcuni compressori, tuttavia, hanno tempi di attacco e rilascio determinati dalle caratteristiche di progetto e non possono essere regolati. Qualche volta i tempi sono automatici oppure programmabili, cioè dipendono dal segnale di ingresso. Il carattere del segnale in uscita risulterà modificato in modo più o meno evidente in base alle impostazioni che di volta in volta vengono selezionate.
Curva di compressione
Tramite questo controllo è possibile decidere quanto "smussato" debba diventare l'angolo della curva di risposta. Un passaggio dolce (soft knee) permette di aumentare gradualmente il livello di compressione (proprio mentre il segnale di ingresso aumenta) fino a raggiungere il valore prefissato, e produce risultati naturali. Una curva dolce riduce l'effetto sonoro causato dal passaggio tra lo stato "normale" e lo stato "compresso" del segnale; questa caratteristica risulta utile specialmente per variazioni di guadagno più pronunciate.
Compensazione del guadagno
Dato che la compressione si traduce in una perdita di guadagno, è solitamente presente un controllo che consente di aggiungere una quota fissa di volume al segnale di uscita. Ciò permette di sopperire alla perdita del livello sonoro complessivo.
Grazie a questo la compressione ha l'effetto di potenziare i passaggi più leggeri (che hanno volume più basso) all'interno di un brano, in modo tale che alla fine l'estensione dinamica risulterà schiacciata; In altre parole, se si guarda all'effetto netto i suoni forti risulteranno indeboliti, mentre quelli deboli potenziati.
Stereo Linking