IT201900018260A1 - Ricevitore parabolico per amplificazione passiva di onde sonore - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione dal titolo: RICEVITORE PARABOLICO PER AMPLIFICAZIONE PASSIVA DI ONDE SONORE;

La presente invenzione riguarda il settore degli accessori per l'ascolto individuale di suoni.

Più specificamente, il trovato è relativo ad una cuffia indossabile dall’utente, concepita per migliorare la ricezione dei suoni e di conseguenza l’ascolto, in particolare in luoghi aperti e affollati, utilizzabile ad esempio durante rappresentazioni musicali dal vivo, ma anche durante spettacoli teatrali, manifestazioni, ecc.

Il trovato è applicabile in tutti quei contesti in cui un utilizzatore, magari distante dalla sorgente sonora, ha la necessità di amplificare il suono proveniente da questa per favorirne l’ascolto.

Allo stato attuale della tecnica sono noti dispositivi che, direttamente collegati ad una sorgente sonora, riescono a far ascoltare ad un singolo ascoltatore una fonte audio.

Tali dispositivi però, devono essere direttamente connessi all’elemento che riproduce il suono, in quanto il sistema che permette all’utente di ascoltare la fonte sonora, si basa una rielaborazione di un segnale elettrico. Se non è possibile effettuare tale collegamento, l’utente non può servirsi di questi dispositivi, che tra l’altro devono essere alimentati con energia elettrica.

Scopo principale della presente invenzione trovato è di superare questi problemi fornendo un dispositivo per migliorare l’ascolto dal vivo di spettacoli musicali, rappresentazioni teatrali , ecc. , il quale dispositivo è atto a schermare l’ascoltatore da eventuali rumori diffusi, tipici di un ambiente aperto, provenienti da tutto ciò che si trova alle sue spalle e ai suoi lati, concentrando il suono principale verso l’orecchio, determinando in tal modo, da un lato, una selezione dei suoni lungo una direzione, dall’altro una amplificazione del segnale sonoro in termini di guadagno.

Vantaggiosamente il risultato prefissato si ottiene mediante un dispositivo la cui forma è studiata appositamente per favorire la riflessione del suono proveniente dalla sorgente sonora verso la cavità auricolare dell’utente, senza effettuare alcuna rielaborazione o amplificazione del segnale sonoro.

Secondo l’invenzione, la preferita forma realizzativa che si descrive consiste in una cuffia comprendente due ricevitori la cui forma è opportunamente configurata al fine di favori re il guadagno sonoro.

La forma di ogni ricevitore è sostanzialmente parabolica, ottimizzata per forni re un alto guadagno sonoro.

Vantaggiosamente, il trovato non presenta alcun tipo di ci rcuiteria elettronica, dato che il guadagno è incrementato dalla particolare forma del trovato che riflette il suono e non da un’amplificazione del segnale sonoro.

In sostanza, l’invenzione comprende una coppia di ricevitori parabolici cavi , in cui i rispettivi fuochi corrispondono all’ingresso dei condotti auricolari dell ’utente che li indossa.

Una migliore comprensione dell'invenzione si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano, a puro titolo esemplificativo e non già limitativo, una preferita forma di realizzazione del trovato.

Nei disegni :

La figura la mostra un ricevitore parabolico in cui sono indicati il diametro (D) e la superficie della sezione del disco parabolico (A).

La figura 1b mostra la riflessione delle onde parallele all’asse di simmetria di una parabola verso il fuoco (F) di quest'ultima.

La figura 2 mostra uno schema concettuale in cui il fuoco del paraboloide è messo in corrispondenza del condotto uditivo di un ascoltatore.

La figura 3 mostra una vista laterale di un orecchio, in cui il fuoco del riceviore parabolico risulta centrato rispetto al condotto uditivo ed in cui sono visibili alcune grandezze caratteristiche tra cui il diametro del paraboloide (D) , la profondità del paraboloide (P), la lunghezza focale individuata dal segmento i segmenti ed

rappresentanti la distanza fuoco - punto del paraboloide, utilizzate nello sviluppo del modello matematico.

La figura 4 mostra schematicamente una vista isometrica e una vista frontale di un semi paraboloide, in cui sono visibili il fuoco (F), il diametro del paraboloide CD) e la profondità del paraboloide (P).

La figura 5 mostra una parabola in cui sono visibili il fuoco (F), la lunghezza focale (L), il diametro del disco (D), la profondità del disco (d).

La figura 6 mostra un’altra visuale della parabola in cui è visibile il fuoco (F), il diametro del paraboloide (D), la distanza focale (L) corrispondente al segmento la profondità del disco Cd).

La figura 7 è una vista frontale di una preferita forma realizzativa di un ricevitore, rispetto alla forma teorica, in cui sono visibili il diametro del paraboloide (D), la superficie teorica CA), la superficie reale (A*), il fuoco della parabola CF).

La figura 8 è una vista BD di un ricevitore parabolico secondo il trovato, sia in vista da sinistra che da destra, in cui è visibile il fuoco del paraboloide CF).

La figura 9 mostra una vista frontale, dall’alto, isometrica e laterale del trovato, in cui sono visibili i due ricevitori parabolici (1 e 2) e l’archetto di congiunzione C3).

La figura 10 mostra le proiezioni ortogonali quotate del trovato, in una preferita forma realizzativa non limitativa.

La figura 11 mostra un diagramma comparativo dei sistemi analizzati rappresentante la curva di guadagno CGain) in funzione della frequenza e del diametro del ricevitore.

La figura 12 mostra il guadagno in funzione della frequenza e del diametro del sistema ridotto.

La figura 13 mostra lo spettro di assorbimento dell’onda sonora in funzione della frequenza per la misurazione effettuata senza ricevitore parabolico (misura 1) per una frequenza di test (Tone Test) pari a 2000 Hz.

La figura 14 mostra lo spettro di assorbimento dell’onda sonora in funzione della frequenza per la misurazione effettuata con i ricevitori parabolici (misura 2) per una frequenza di test (Tone Test) pari a 2000 Hz.

La figura 15 mostra lo spettro di assorbimento dell’onda sonora in funzione della frequenza per entrambe le misurazioni effettuate (misura 1 e misura 2) per una frequenza di test (Tone Test) pari a 2000 Hz.

La figura 16 mostra uno schema concettuale della disposizione delle apparecchiature utilizzate nel test.

La figura 17 mostra un dettaglio del microfono con i ricettori parabolici per la misura 2 e senza di essi per la misura 1.

La presente invenzione consiste in un amplificatore passivo realizzato preferibilmente in ABS che, in una preferita forma realizzativa, è costituito due semigusci speculari di forma parabolica opportunamente configurati, corrispondenti agli elementi riceventi (1, 2), uniti da un archetto (B) a costituire una sorta di cuffia indossabile dall’utente. Sebbene evidente, è opportuno sottolineare che ciascun semiguscio è conformato in modo tale da contornare e ricoprire il rispettivo orecchio dell’utente, lasciando aperta la parte del semiguscio rivolta verso la direzione in cui è orientato il volto dell’utente. In questo modo, quando l’utente rivolge lo sguardo verso la sorgente del suono a cui è interessato, il ricevitore secondo l’invenzione esplicherà la sua massima efficacia.

Un generico ricevitore parabolico è presentato in figura 1a.

L’idea alla base del trovato, parte dalla considerazione che la parabola riflette verso proprio fuoco tutte le onde sonore che arrivano parallelamente all’asse di simmetria (e quindi perpendicolari alla direttrice), come mostrato in figura 1b. Pertanto facendo coincidere il fuoco della parabola con la posizione del condotto uditivo, tutte le onde sonore incidenti sulla parabola vengono riflesse verso tale condotto uditivo, come mostrato in figura 2.

Quindi la forma parabolica delle cuffie, opportunamente ottimizzata, consente un miglioramento della ricezione valutato in termini di guadagno, o in altri termini, incrementa la capacità di captazione del segnale emesso dalla sorgente sonora corrispondente ad un’onda di pressione.

La peculiarità sopra riportata rappresenta di per sé una significativa differenza rispetto gli attuali mezzi noti, che invece ampiificano l’ampiezza o la potenza del segnale mediante l’elaborazione di un segnale elettrico.

Infatti, qualora si volessero utilizzare le normali cuffie in commercio per migliorare l’ascolto di un concerto dal vivo (ad esempio in un teatro), si dovrebbe “catturare” l’onda sonora mediante microfoni, trasformarla in un segnale digitale e dopodiché inviarlo agli appositi ricevitori degli utenti, mentre ciò non avviene con la presente invenzione.

Per ottenere tale incremento si è effettuato uno studio a partire proprio dall’espressione matematica del guadagno (gain) per un disco parabolico, analizzando tutti gli elementi che compongono la formula.

Per la lunghezza d’onda si è assunta l’ipotesi di campo lontano (far field pattern) , ipotizzando una distanza tra la sorgente sonora ed il ricevitore parabolico sufficientemente grande; tale assunzione permette di considerare tutte le onde sonore incidenti al ricevitore parallele all ’asse centrale e pertanto consente di descrivere l 'oscillazione del campo ondulatorio con l 'approssimazione di un’onda piana, che risulta valida per distanze maggiori rispetto al rapporto dove r corrisponde al raggio della sorgente e ©corrisponde alla lunghezza d’onda cosi definita:

dove:

lunghezza d’onda [m] ;

velocità del suono [m/s] ;

frequenza [Hz]

Nell ’espressione di cui sopra, si è assunta una velocità del suono nell ’aria a 25°C pari a 346, 3 m/s.

Dalla letteratura è possibile ricavare l’espressione del guadagno per un disco parabolico, corrispondente a:

dove:

guadagno del disco parabolico;

efficienza del disco, tipicamente compresa tra il 45% ed 70% e qui assunta pari al 50%;

area della sezione del disco parabolico Semplificando le espressioni precedentemente indicate, assumendo un’area del disco parabolico pari ad come rappresentato in figura 1, si ottiene:

dove:

guadagno del disco parabolico;

efficienza del ricevitore;

diametro del ricevitore;

frequenza del segnale

La precedente espressione del guadagno è stata valutata anche in termini di decibel utilizzando la seguente relazione:

Determinazione della parabola

Partendo dal modello sopra ricavato, si è proceduto nella determinazione della miglior parabola.

Come già precisato, il fuoco della parabola coincide con la posizione del condotto uditivo; affinché il paraboloide non incidesse sul padiglione auricolare si sono scelti i seguenti rapporti per la determinazione della parabola, il cui significato sarà più chiaro facendo riferimento alla figura B:

Le dimensioni caratteristiche della parabola, ricavate a partire dalle ipotesi iniziali, sono pertanto pari a:

170 mm (diametro del disco parabolico)

55 mm (profondità del paraboloide)

Il semi-paraboloide, rappresentante uno dei due ricevitori della cuffia oggetto della presente invenzione, è rappresentato in figura 4.

A partire da questi valori sono stati stabiliti tutti gli altri rapporti caratteristici che permettessero di ottenere il paraboloide; in particolare è stato calcolata la distanza focale per determinare il rapporto lunghezza focale rispetto diametro del disco parabolico.

La lunghezza focale è infatti funzione del diametro del disco e della profondità dello stesso; lo studio di ottimizzazione è stato effettuato affinché il fuoco della parabola ricadesse nel punto desiderato, ovvero in coincidenza del condotto uditivo. La formula utilizzata per il calcolo della lunghezza focale, in riferimento alla figura 5, è la seguente:

da cui si ricava:

dove:

L = lunghezza focale:

D = diametro del paraboloide;

d = profondità del disco;

L/D = rapporto lunghezza focale su diametro

paraboloide.

Valori tipici del rapporto L/D sono compresi tra 0.25 e 0.65, tuttavia un disco parabolico con un rapporto L/D compreso tra 0.5 e 0.6 risulta essere più efficiente e meno sensibile ad errori geometrici, quindi è preferibile avere un rapporto compreso tra questi valori.

I risultati ottenuti sono riassunti in tabella

Dai risultati sopra esposti si evince che le configurazioni B e C devono essere scartate in quanto il fuoco ricadrebbe al di fuori del disco parabolico come mostrato in figura 6; il caso studio, determinato dalla prova A, presenta infatti un rapporto L/D pari a 0,19318, che è più basso rispetto ai valori ottimali precedentemente indicati (0.5 ÷ 0.6), tuttavia aumentando il valore di tale rapporto (prove B e C), il disco arretra molto rispetto all’orecchio.

Il sistema cosi determinato risulta essere molto ingombrante, vista anche l’area del disco parabolico pari a 22698 mm<2>.

Considerato il discorso degli ingombri si è preferito quindi adottare una superficie del disco più piccola, pari a 12016 mm<2>, come mostrato in figura 7, cui corrisponde un diametro equivalente del paraboloide D pari a 124 mm.

Il trovato è mostrato in figura 8, 9 e 10; in particolare in figura 10 sono visibili le dimensioni del prototipo realizzato in ABS, in una preferita forma realizzativa, mediante stampa 3D, con uno spessore di tutte le pareti pari a 2 mm.

Calcolo del guadagno teorico

I diametri ipotizzati sono stati utilizzati per validare il modello matematico precedentemente presentato.

E’ stato calcolato pertanto il guadagno mediante la relazione e tale valore è stato espresso in decibel per tre valori di diametri differenti:

Sistema 1: D = 500 mm [riferimento] Sistema 2: D = 170 mm [valore iniziale]

Sistema 3: D = 124 mm [valore ottimizzato] I risultati, calcolati a varie frequenze e con una efficienza del ricevitore pari al 75%, sono presentati in tabella 2.

Analizzando i risultati della tabella si deduce che il guadagno aumenta all'aumentare del diametro del ricevitore parabolico e della frequenza della sorgente.

Considerata la configurazione del Sistema 3, per il quale è stato realizzato un prototipo per effettuare delle misurazioni ed una efficienza del ricevitore pari al 75% si ottiene un guadagno di 2.9 db per un Tone Test con frequenza pari a 2000 Hz.

I risultati elencati in tabella sono riportati nei diagrammi di figura 11 e figura 12, elaborati considerando una efficienza del ricevitore pari al

Per la parte sperimentale di validazione del

modello è stato utilizzato un prototipo realizzato mediante stampa 3D, in materiale di tipo ABS, con spessore delle pareti pari a 2 mm.

La strumentazione utilizzata per eseguire i test consiste in:

PC;

Software Matlab

Speaker;

Microfono per PC con sensibilità -58 db ± 2db e con una frequenza di risposta compresa tra 30 ÷ 16000 Hz;

2 riflettori parabolici .

Uno schema della preparazione del test, con la disposizione della strumentazione è mostrato in figura 16.

Sono state eseguite due misurazioni con un segnale di 2000 Hz per valutare il guadagno effettivo del ricevitore; rispettivamente:

Misura 1 (sistema a vuoto): il microfono è stato collocato ad una distanza di 2 m dagli speaker, senza alcun tipo di ricevitore;

Misura 2 (sistema con riflettore): il microfono è stato collocato a 2 m dagli speaker, posizionato nel fuoco dei riflettori parabolici.

Un dettaglio della preparazione del microfono è visibile in figura 17.

È stato emesso un suono, alla frequenza di 2000 Hz, ed è stato registrato per 25 secondi nella misura 1 e per 20 secondi nella misura 2.

Mediante il software Simulink di Matlab è stato analizzato lo spettro di assorbimento dell’onda sonora, presentato nelle figure 13, 14 e 15, rispettivamente per la misurazione 1, per la misurazione 2 ed in comparazione.

Alla frequenza di riferimento di 2000 Hz, le due misurazioni producono i seguenti valori:

Pertanto si può concludere che i riflettori parabolici incrementano complessivamente la ricezione di 5.808 db, vale a di re che il singolo riflettore incrementa la ricezione di 2.904 db, perfettamente in linea con quanto ipotizzato nel calcolo del guadagno teorico.

Claims (6)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo ricevitore acustico, caratterizzato dal fatto di comprendere due semigusci speculari di forma parabolica, che costituiscono gli elementi riceventi (1, 2), uniti da un archetto (3) a costituire una sorta di cuffia indossabile, in cui ogni semiguscio parabolico è conformato in modo che il rispettivo fuoco risulti posizionato in corrispondenza del canale uditivo dell’utente e dove il rapporto tra la lunghezza focale ed il diametro del paraboloide (L/D) è compreso tra 0,15 e 0,65; ciascun semiguscio essendo conformato in modo tale da contornare e ricoprire il rispettivo orecchio dell’utente, lasciando aperta la parte del semiguscio rivolta verso la direzione in cui è orientato il volto dell’utente.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui il rapporto tra la lunghezza focale ed il diametro del paraboloide (L/D) è 0,19318 e, fermo restando la posizione del fuoco, la superficie parabolica che insiste sull’orecchio interessato è ottimizzata sperimentalmente nei confronti dell’ingombro generale.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente in cui il diametro equivalente del paraboloide corrispondente alla superficie ottimizzata è pari a 124 mm.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, la cui forma ottimizzata è tale da fornire un guadagno di almeno 2.9 db per ciascun elemento ricevente (1, 2).
5. 5. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i semigusci parabolici sono realizzabili in qualunque materiale atto a mantenere le caratteristiche geometriche costanti.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente in cui i semigusci sono realizzati in ABS.