IT201900005652A1

IT201900005652A1 - Sistema di riproduzione audio

Info

Publication number: IT201900005652A1
Application number: IT102019000005652A
Authority: IT
Inventors: Alessio Ballotti; Enrico Iori
Original assignee: Ik Multimedia Production Srl
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-12

Description

"SISTEMA DI RIPRODUZIONE AUDIO"

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un sistema di riproduzione audio e si inquadra nel campo dei diffusori acustici, in particolari degli altoparlanti e dei diffusori di suono destinati ad una riproduzione sonora fedele e di alta qualità.

E’ noto che il suono è creato dall’oscillazione delle molecole dell’aria e si trasmette nell’aria attraverso variazioni della pressione. Il suono si caratterizza per altezza o volume, per intensità, che dipende dalla frequenza dell’onda sonora (tanto più elevata è la frequenza e tanto più acuto è il suono), e per timbro, ossia la forma d’onda del suono stesso, che dipende principalmente dallo strumento musicale o dal mezzo che lo genera.

Un suono può essere trasmesso in modo meccanico oppure per mezzo di un segnale elettrico, comunemente denominato “segnale audio”. In sostanza, un segnale audio è una rappresentazione analogica di un suono, normalmente rappresentato da una tensione elettrica.

Un segnale audio può essere direttamente sintetizzato oppure può trarre origine da un trasduttore in grado di convertire onde sonore in segnale elettrico. Strumenti musicali, microfoni, pick-up, testine di fonografi sono tipici trasduttori in grado di convertire onde sonore in segnale elettrico, in modo da consentirne il trasporto da una sorgente ad un punto di emissione.

A seguito della trasmissione, per essere ascoltato, un segnale audio necessita di un secondo trasduttore in grado di effettuare l’operazione inversa, ossia quella di riconvertire il segnale elettrico in onde sonore percepibili dall’orecchio umano. In questo caso, tipici trasduttori sono diffusori acustici o cuffie, che si occupano appunto di convertire un segnale audio in onde sonore.

Pertanto, un diffusore acustico è un trasduttore che trasforma un segnale audio in onde sonore percepibili dall’orecchio umano. In generale, un diffusore acustico è costituito sostanzialmente da una cassa a forma di parallelepipedo con una delle facce utilizzata per alloggiare gli altoparlanti.

Il segnale audio può ovviamente essere rappresentato e gestito anche in forma digitale, come ben noto nello stato della tecnica.

E’ noto che i diffusori acustici necessitano di uno studio preliminare alla loro realizzazione, che permetta di accordare la risonanza elettrica del diffusore acustico con quella meccanica del rispettivo altoparlante. Questa accordatura ha lo scopo di rimuovere le discontinuità nella risposta in frequenza e aumentare l’estensione del diffusore acustico. In particolare, questo studio è critico per i diffusori acustici con porta per le basse frequenze, cioè dotati di un’apertura cosiddetta “reflex”.

Tuttavia, questa soluzione nota non è scevra da inconvenienti, tra i quali va annoverato il fatto che questo studio preliminare non è sempre facile da concludere a priori in fase di progettazione, portando all’eventualità di dover procedere per tentativi, che chiaramente impegnano risorse anche considerevoli in termini di tempo e costi.

Un altro inconveniente della progettazione “a priori” dei diffusori acustici è la dipendenza che esiste tra il componente meccanico, ossia l’altoparlante, e il componente acustico, ossia la cassa. Questa dipendenza rende critica anche la tolleranza sui componenti coinvolti, e pone dei limiti alla possibilità di sostituire componenti con altri simili a progetto avviato.

Inoltre, quando, per un qualsiasi motivo, non è possibile procedere con la progettazione di un diffusore acustico ottimale, o deliberatamente si sceglie di non realizzarlo, ad esempio per vincoli di dimensione o estetici dell’oggetto, la risposta in frequenza alle basse frequenze del diffusore acustico risulta anche sensibilmente deviata rispetto ad una desiderabile risposta uniforme.

Anche nel caso in cui il diffusore acustico sia correttamente accordato e non siano presenti deviazioni da una risposta in frequenza naturale, è comunque presente un limite inferiore di estensione.

Compito precipuo del presente trovato è quello di superare i limiti dell’arte nota come sopra esposti, escogitando un sistema di riproduzione audio che consenta di ottenere effetti migliori rispetto a quelli ottenibili con le soluzioni note e/o effetti analoghi a minor costo o con prestazioni più elevate.

Nell’ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di concepire un sistema di riproduzione audio che permetta di correggere la risposta in frequenza del diffusore acustico nell’ambito delle basse frequenze, rimuovendo le discontinuità nella risposta in frequenza e aumentando l’estensione del diffusore acustico.

Un altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema di riproduzione audio che consenta di correggere la risposta in fase del diffusore acustico nell’ambito delle basse frequenze.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema di riproduzione audio che permetta di accordare un diffusore acustico scordato.

Un altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema di riproduzione audio che consenta di modificare l’allineamento, ossia la risonanza del cut-off, dell’altoparlante del diffusore acustico (ad esempio allineamento Butterworth, allineamento quasi-Butterworth, o allineamento Chebyshev).

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di concepire un sistema di riproduzione audio dove la correzione della risposta in frequenza e/o in fase del diffusore acustico sia facile da implementare, ad esempio attraverso dispositivi noti quali processori di segnale digitale o DSP (sigla dall’inglese Digital Signal Processor).

Ancora, scopo del presente trovato è quello di escogitare un sistema di riproduzione audio dove la correzione della risposta in frequenza e/o in fase del diffusore acustico abbia un costo computazionale molto basso.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un sistema di riproduzione audio che sia di elevata affidabilità, di relativamente semplice realizzazione, ed a costi competitivi se paragonato alla tecnica nota.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da un sistema di riproduzione audio comprendente almeno una sorgente di segnale audio in forma di segnale elettrico, almeno un amplificatore di detto segnale audio elettrico atto a generare un segnale audio elettrico amplificato, e almeno un diffusore audio atto a trasdurre detto segnale audio elettrico amplificato in un suono, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di correzione comprendente una coppia di filtri di secondo ordine e cooperante con detto almeno un amplificatore, detto dispositivo di correzione essendo interposto tra detta almeno una sorgente e detto almeno un diffusore audio.

In pratica, nel presente trovato, la correzione del segnale elettrico che viene fornito all’altoparlante avviene tramite un filtro di quarto ordine scomponibile in una coppia di filtri di secondo ordine.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del sistema di riproduzione audio secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo con l’ausilio dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra un modello lineare a parametri condensati del diffusore acustico sulle basse frequenze;

la figura 2 mostra una semplificazione del modello lineare a parametri condensati del diffusore acustico sulle basse frequenze illustrato in figura 1;

la figura 3 è uno schema a blocchi che illustra schematicamente una prima forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato;

la figura 4 è uno schema a blocchi che illustra schematicamente una seconda forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato;

la figura 5 è uno schema a blocchi che illustra schematicamente una terza forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato;

la figura 6 è uno schema a blocchi che illustra schematicamente una quarta forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato;

la figura 7 è uno schema a blocchi che illustra schematicamente una quinta forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato.

Il modello lineare a parametri condensati del diffusore acustico sulle basse frequenze è illustrato, con ottima approssimazione, in figura 1.

Nella porzione sinistra del modello, V ed Re rappresentano la parte elettrica del diffusore acustico, dove l’induttanza dell’avvolgimento dell’altoparlante è volutamente trascurata perché ha un impatto minimo sulle basse frequenze (sotto circa 300Hz).

Il primo trasformatore ideale accoppia la parte elettrica del diffusore acustico con quella meccanica. Alla sinistra del primo trasformatore ideale si hanno tensione e corrente, mentre alla sua destra si hanno velocità e forza. Bl è un rapporto forza/corrente.

Nella porzione centrale del modello, si ha la parte meccanica del diffusore acustico, dove Mmc rappresenta la somma delle masse viste dalla parte mobile dell’altoparlante, Cms rappresenta l’elasticità delle sospensioni e Gms rappresenta le perdite delle sospensioni. Questo primo gruppo risonante è proprio dell’altoparlante del diffusore acustico.

Il secondo trasformatore ideale accoppia la parte meccanica del diffusore acustico con quella acustica. Alla sinistra del secondo trasformatore ideale si hanno velocità e forza, mentre alla sua destra si hanno flusso volumetrico e pressione volumetrica. Sd è una superficie.

Nella porzione destra del modello viene schematizzata la parte acustica del diffusore acustico, dove Map rappresenta la massa acustica dell’apertura, Cab rappresenta l’elasticità della cassa e Gal le perdite della cassa. Questo secondo gruppo risonante è proprio della cassa del diffusore acustico. Ai capi di Cab si ha la velocità volumetrica radiata dal diffusore acustico.

La risposta in frequenza del diffusore acustico sulle basse frequenze, cioè la pressione radiata in funzione della tensione in ingresso V, è modellata ponendo un derivatore ideale in serie alla funzione di trasferimento tra il flusso volumetrico ai capi di Cab e la tensione di ingresso V.

L’obiettivo è quello di caratterizzare il modello partendo solamente da una misura elettrica dell’impedenza del diffusore acustico completo.

Se questo fosse possibile, oltre che permettere di ricavare un modello in maniera facile e veloce, escluderebbe qualsiasi altro errore di stima dei parametri.

Purtroppo non è possibile identificare direttamente il modello appena presentato partendo da una misura perché esistono infiniti modelli che presenterebbero la stessa impedenza. La causa del problema è la presenza dei due trasformatori ideali, quindi dei parametri Bl e Sd, che scalano le impedenze con le quali si interfacciano.

Ciò che interessa però è la sola funzione di trasferimento che consente di modellare la risposta in frequenza sulle basse frequenze, normalizzata in modo che il guadagno a frequenza infinita sia unitario. Fortunatamente, Bl ed Sd non distorcono la funzione di trasferimento, ma la scalano comportandosi come un guadagno. Quindi, normalizzando la funzione di trasferimento per avere un guadagno unitario a frequenza infinita, Bl e Sd scompaiono.

Il modello semplificato di interesse, sufficiente e identificabile, è quindi illustrato in figura 2.

I parametri di questo secondo modello sono identificati partendo da una misura dell’impedenza sul diffusore acustico. E’ stato allora escogitato un metodo di ottimizzazione che calcola i parametri (R1, C1, L1, R2, C2, L2, R3) tali per cui viene minimizzato l’errore fra il valore reale di magnitudine dell’impedenza misurata e quella prevista dal modello stesso.

Una volta che il modello è caratterizzato, è possibile scrivere la funzione di trasferimento normalizzata che descrive la risposta in frequenza sulla basse frequenze.

Per restituire al diffusore acustico una risposta in frequenza ideale si rende necessario invertire la funzione di trasferimento ricavata sopra e filtrare il segnale per questa inversa. Così operando, una volta che il segnale attraversa il sistema fisico, il suono emesso sarebbe ideale.

La funzione di trasferimento da invertire presenta una caratteristica da filtro passa alto di quarto ordine. Operativamente, si è riscontrato che è opportuno scomporre tale filtro in una coppia di filtri passa alto di secondo ordine, caratterizzati entrambi da una loro frequenza di taglio ω e risonanza Q secondo la seguente formula:

Formula 1:

Non potendo tuttavia procedere ad un’inversione diretta, che genererebbe un filtro instabile con guadagno infinito a frequenza zero, è comunque possibile ricavare un nuovo filtro, che ha come obiettivo di trasformare la risposta in frequenza del filtro di partenza in una nuova risposta in frequenza desiderata. Il risultato non è dunque una inversione esatta ma, piuttosto, una risposta in frequenza controllata e determinabile a priori.

In particolare, è possibile adottare un tipo di filtro che permetta, conservando la tipologia del filtro di partenza, di cambiarne le caratteristiche. In questo caso si ricava un filtro che applicato ad un qualsiasi passa alto di secondo ordine noto ne modifica la frequenza di taglio e la risonanza portandola ai valori desiderati, secondo le seguenti formule:

Formula 2:

Formula 3:

Formula 4:

Il filtro C, posizionato in serie, agisce come correttivo della funzione di trasferimento di tipologia passa alto di secondo ordine HP, trasformando una frequenza di taglio e risonanza di sorgente in una frequenza di taglio e risonanza di destinazione.

La funzione di trasferimento H di quarto ordine, è caratterizzata determinando le due frequenze di taglio e le due risonanze (ω1, ω2, Q1, Q2) direttamente dai parametri del modello condensati (R1, C1, L1, R2, C2, L2, R3), identificati in precedenza.

Formula 5:

Formula 6:

Formula 7:

Una volta caratterizzata la funzione di trasferimento H, è possibile ricavare un filtro correttivo di quarto ordine CC, composto dalla serie di due filtri correttivi di secondo ordine C, che a sua volta in serie alla risposta del sistema H, correggono la risposta in frequenza portandola ad una risposta in frequenza W controllata e determinabile.

Formula 8:

In questo modo è possibile intervenire sulla risposta in frequenza del diffusore acustico, rendendola lineare ed estendendola oltre il proprio limite, con una semplice coppia di filtri del secondo ordine facilmente implementabili, per esempio tramite un processore di segnale digitale o DSP (sigla dall’inglese Digital Signal Processor).

Quanto sopra presentato analizza il caso più generale di diffusori acustici con apertura “reflex”, ma lo stesso approccio può essere applicato, con le opportune semplificazioni, a diffusori acustici chiusi.

Questo tipo di correzione è da applicarsi al segnale elettrico che arriva all’altoparlante del diffusore acustico, pertanto può essere implementato in diffusori acustici sia passivi sia attivi, e servendosi sia di un circuito analogico sia tramite filtraggio digitale.

Con riferimento alle figure da 3 a 7, il sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende:

- almeno una sorgente 12, 22 di un segnale audio in forma di segnale elettrico 13, 23 (in breve, segnale audio elettrico);

- almeno un amplificatore 14 del segnale audio elettrico 13, 23, atto a generare un segnale audio elettrico amplificato 15;

- almeno un diffusore audio 16, atto a trasdurre il segnale audio elettrico amplificato 15 in un suono 17; e

- un dispositivo di correzione 25, 30 comprendente una coppia di filtri di secondo ordine e cooperante con l’amplificatore 14, il dispositivo di correzione 25, 30 essendo interposto tra la sorgente 12, 22 e il diffusore audio 16.

In una forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato, il segnale audio elettrico 13, 23 è un segnale audio elettrico di tipo analogico 13. In questa forma di realizzazione, il sistema di riproduzione audio secondo il trovato può comprendere ulteriormente un convertitore analogico-digitale 18, atto a convertire il segnale audio elettrico analogico 13 in un segnale audio elettrico digitale. In quest’ultima forma di realizzazione, il dispositivo di correzione 25, 30 può essere un processore di segnale digitale 30. In quest’ultima forma di realizzazione, il sistema di riproduzione audio secondo il trovato può comprendere ulteriormente un convertitore digitale-analogico 19, atto a convertire il segnale audio elettrico digitale in un segnale audio elettrico analogico.

In una forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato, il segnale audio elettrico 13, 23 è un segnale audio elettrico di tipo digitale 23. In questa forma di realizzazione, il dispositivo di correzione 25, 30 può essere un processore di segnale digitale 30. In quest’ultima forma di realizzazione, il sistema di riproduzione audio secondo il trovato può comprendere ulteriormente un convertitore digitale-analogico 19, atto a convertire il segnale audio elettrico digitale 23 in un segnale audio elettrico analogico. In quest’ultima forma di realizzazione, il convertitore digitaleanalogico 19 può essere compreso nel processore di segnale digitale 30.

Con particolare riferimento alla figura 3, una prima forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende in serie: una sorgente 12 di un segnale audio elettrico analogico 13, un dispositivo di correzione 25, un amplificatore 14 che genera un segnale audio elettrico analogico amplificato 15, già corretto, e un diffusore audio 16 che emette un suono 17 a partire dal segnale audio elettrico analogico amplificato 15.

Con particolare riferimento alla figura 4, una seconda forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende in serie: una sorgente 12 di un segnale audio elettrico analogico 13, un amplificatore 14 che genera un segnale audio elettrico analogico amplificato 15, da correggere, un dispositivo di correzione 25, e un diffusore audio 16 che emette un suono 17 a partire dal segnale audio elettrico analogico amplificato 15.

Con particolare riferimento alla figura 5, una terza forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende in serie: una sorgente 22 di un segnale audio elettrico digitale 23, un dispositivo di correzione in forma di processore di segnale digitale 30, un convertitore digitale-analogico 19, un amplificatore 14 che genera un segnale audio elettrico analogico amplificato 15, già corretto, e un diffusore audio 16 che emette un suono 17 a partire dal segnale audio elettrico analogico amplificato 15.

Con particolare riferimento alla figura 6, una quarta forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende in serie: una sorgente 12 di un segnale audio elettrico analogico 13, un convertitore analogicodigitale 18, un dispositivo di correzione in forma di processore di segnale digitale 30, un convertitore digitale-analogico 19, un amplificatore 14 che genera un segnale audio elettrico analogico amplificato 15, già corretto, e un diffusore audio 16 che emette un suono 17 a partire dal segnale audio elettrico analogico amplificato 15.

Con particolare riferimento alla figura 7, una quinta forma di realizzazione del sistema di riproduzione audio secondo il trovato comprende in serie: una sorgente 22 di un segnale audio elettrico digitale 23, un amplificatore 14 che genera un segnale audio elettrico analogico amplificato 15, l’amplificatore 14 comprendendo un dispositivo di correzione in forma di processore di segnale digitale 30 comprendente un convertitore digitale-analogico 19, e un diffusore audio 16 che emette un suono 17 a partire dal segnale audio elettrico analogico amplificato 15.

Si è in pratica constatato come il trovato assolva pienamente il compito e gli scopi prefissati. In particolare, si è visto come il sistema di riproduzione audio così concepito permette di superare i limiti qualitativi dell’arte nota, in quanto consente di ottenere effetti migliori rispetto a quelli ottenibili con le soluzioni note e/o effetti analoghi a minor costo e con prestazioni più elevate.

Un vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che esso permette di correggere la risposta in frequenza del diffusore acustico nell’ambito delle basse frequenze, rimuovendo le discontinuità nella risposta in frequenza e aumentando l’estensione del diffusore acustico.

Un altro vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che esso consente di correggere la risposta in fase del diffusore acustico nell’ambito delle basse frequenze.

Un ulteriore vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che esso permette di accordare un diffusore acustico scordato.

Un altro vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che esso consente di cambiare l’allineamento dell’altoparlante del diffusore acustico (ad esempio allineamento Butterworth, allineamento quasi-Butterworth, o allineamento Chebyshev).

Un ulteriore vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che la correzione della risposta in frequenza e/o in fase del diffusore acustico è facile da implementare, ad esempio attraverso dispositivi noti quali processori di segnale digitale o DSP (sigla dall’inglese Digital Signal Processor).

Ancora, un vantaggio del sistema di riproduzione audio secondo il presente trovato consiste nel fatto che la correzione della risposta in frequenza e/o in fase del diffusore acustico ha un costo computazionale molto basso.

Il trovato, così concepito, è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l’uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.

In conclusione, l’ambito di protezione delle rivendicazioni non deve essere limitato dalle illustrazioni o dalle forme di realizzazione preferite illustrate nella descrizione sotto forma di esempi, ma piuttosto le rivendicazioni devono comprendere tutte le caratteristiche di novità brevettabile che risiedono nella presente invenzione, incluse tutte le caratteristiche che sarebbero trattate come equivalenti dal tecnico del ramo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1.Sistema di riproduzione audio comprendente almeno una sorgente (12, 22) di segnale audio in forma di segnale elettrico (13, 23), almeno un amplificatore (14) di detto segnale audio elettrico (13, 23) atto a generare un segnale audio elettrico amplificato (15), e almeno un diffusore audio (16) atto a trasdurre detto segnale audio elettrico amplificato (15) in un suono (17), caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di correzione (25, 30) comprendente una coppia di filtri di secondo ordine e cooperante con detto almeno un amplificatore (14), detto dispositivo di correzione (25, 30) essendo interposto tra detta almeno una sorgente (12, 22) e detto almeno un diffusore audio (16). 2.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale audio elettrico (13, 23) è un segnale audio elettrico analogico (13). 3.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un convertitore analogico-digitale (18) atto a convertire detto segnale audio elettrico analogico (13) in un segnale audio elettrico digitale. 4.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale audio elettrico (13, 23) è un segnale audio elettrico digitale (23). 5.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di correzione (25, 30) è un processore di segnale digitale (30). 6.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente un convertitore digitale-analogico (19) atto a convertire detto segnale audio elettrico digitale (23) in un segnale audio elettrico analogico. 7.Sistema di riproduzione audio secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto convertitore digitale-analogico (19) è compreso in detto processore di segnale digitale (30). 8.Sistema di riproduzione audio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta coppia di filtri di secondo ordine presenta una funzione di trasferimento definita dalla formula: