Per un’esperienza di ascolto superiore

APPLICAZIONI AUDIO –

Superare le sfide della produzione può rendere le cuffie con cancellazione attiva del rumore più economiche e allettanti per i consumatori.

Le cuffie con cancellazione attiva del rumore rappresentano una proposta allettante per i consumatori, poiché offrono un'esperienza di ascolto superiore in condizioni normalmente ostili alla riproduzione audio, quali treni, aerei e aree urbane molto trafficate. In realtà, sebbene l’idea di eliminare il rumore ambientale sia semplice, la sua realizzazione pratica è complessa. Lo sviluppo di una cuffia Anc (Active noise cancellation) richiede un notevole know-how. Tuttavia, il problema più urgente che i progettisti di sistemi Anc devono affrontare oggigiorno è rappresentato dal costoso processo manuale di taratura del sistema cuffia, indispensabile per compensare le variazioni dei componenti.

Analisi del sistema Anc
Esistono tre diverse tipologie di cuffie Anc. La più comune è quella feedforward, in cui un microfono esposto all'esterno rileva il rumore ambientale e il circuito Anc genera un segnale antirumore che viene riprodotto dagli altoparlanti (insieme al segnale di riproduzione audio dell'utente). Questo tipo di cuffia si compone di quattro elementi: gli altoparlanti, la batteria, il circuito Anc e i microfoni Anc per il canale di sinistra e quello di destra (la batteria alimenta il circuito Anc). Questi stessi elementi sono presenti anche nella tipologia feedback: l’unica differenza sta nella posizione dei microfoni che sono all’interno della capsula auricolare. Questo rende la cuffia meno sensibile al rumore del vento. Inoltre, l’approccio feedback può compensare le perdite dovute alla cattiva sigillatura della cuffia (la tipologia ibrida che unisce il metodo feedforward a quello feedback è rara: richiedendo quattro microfoni, risulta infatti costosa e complessa).

Compensazione delle tolleranze dei componenti
Un circuito Anc efficiente, in grado cioè di eliminare correttamente una parte considerevole del rumore ambientale, dipende dalle interazioni di ogni singolo elemento della cuffia, inclusi i filtri, gli amplificatori e i componenti meccanici. Gli amplificatori audio e i filtri che supportano la correzione di guadagno e fase nel circuito Anc sono particolarmente sensibili alle tolleranze di alcuni componenti passivi. Generalmente, i circuiti dei filtri sono reti di filtri RC, che uniscono varie topologie quali filtri passa-basso di primo e secondo ordine e filtri arresta banda.  Si tratta del risultato di un’analisi di Monte Carlo della risposta di guadagno e fase di un esempio di circuito di filtro, in cui si suppone che vi siano tolleranze del 5% per i resistori e del 20% per i condensatori. L’analisi costituisce un metodo di modellazione della propagazione di incertezza con l'obiettivo di scoprire le variazioni casuali delle caratteristiche del circuito nel peggiore dei casi. Da questo risulta evidente come le variazioni dei componenti possano esercitare un enorme impatto sulla risposta di guadagno e fase di un filtro. Tali variazioni nella prestazione del filtro possono produrre un impatto udibile pronunciato sulla prestazione della cuffia, nonché ulteriore rumore nei sistemi feedforward o oscillazione in quelli feedback. Mentre la discrepanza del guadagno può essere compensata modificando il guadagno generale della rete di filtri, gli spostamenti delle frequenze di taglio delle reti di filtri non possono essere compensati. L’unico modo per risolvere la questione è utilizzare componenti nel circuito di filtro che presentino tolleranze minime. Ovviamente la scelta di componenti di alta qualità aumenterà il costo della distinta base del sistema. Al di là del Pcb, in teoria le variazioni nelle caratteristiche degli altoparlanti potrebbero influenzare la prestazione della cuffia, ma nella pratica tali variazioni sono così minime che tutte le eventuali misure volte a compensarle avrebbero un impatto ridotto sulla prestazione. Tuttavia, le variazioni nel microfono hanno un impatto considerevole sulla prestazione della cuffia. Le tolleranze di un microfono electret tipico sono di circa +/-3dB. Per eliminare il problema si può semplicemente evitare di adottare microfoni standard e utilizzare piuttosto microfoni di alta gamma pressoché privi di variazioni in termini di sensibilità. Si tratta però di una soluzione del problema molto costosa, poiché microfoni così accurati costano molto di più rispetto a dispositivi standard.
La seconda soluzione è quindi quella più comune: tarare il microfono con un’attrezzatura di prova presso lo stabilimento di produzione della cuffia. Per tarare una cuffia in fase di produzione, si richiede una configurazione di misura complessa. In primo luogo, la cuffia viene collocata su una testa artificiale (o un accoppiatore acustico nel caso dell'auricolare). Solitamente la testa artificiale è circondata da una piccola camera per isolare la cuffia dal rumore dello stabilimento. La testa artificiale contiene microfoni collegati al dispositivo di misurazione acustica. Tale dispositivo genera un segnale audio nella camera all’esterno della testa artificiale e il microfono nella testa può misurare la capacità del segnale di raggiungere il timpano dell'utente.
L’operatore dell’attrezzatura di prova effettua quindi due misurazioni: la prima riguarda semplicemente l’attenuazione passiva della cuffia (con il circuito Anc disabilitato). Poi il circuito Anc viene attivato e la prova ripetuta: il sistema può ora confrontare il risultato della prima misurazione con quello della seconda; la differenza costituisce la prestazione Anc della cuffia. La variazione nella sensibilità dei microfoni incorporati nella cuffia si rifletterà nella variazione segnata per la prestazione Anc misurata. Ovviamente i produttori di cuffie richiedono un livello uniforme di prestazione Anc per tutte le unità prodotte in modo da poter garantire sempre un prodotto di alta qualità. Ora, ottenere questo risultato è possibile impostando il guadagno del filtro del circuito Anc in modo che questo soddisfi le caratteristiche di ogni singolo microfono. Attualmente, il modo più comune per farlo è regolare due potenziometri del Pcb. Si tratta di un processo manuale: la regolazione viene effettuata da un operatore con l’ausilio di un cacciavite. Per ottimizzare la prestazione, l’operatore deve regolare la vite visualizzando al contempo il risultato dell’attrezzatura di prova fino a ottenere l’impostazione di guadagno ottimale. Questo processo richiede tempo (la durata della taratura per cuffia è generalmente di quattro minuti) ed è soggetto all’errore in quanto l’operatore deve concentrarsi sui risultati della prova ed effettuare contemporaneamente la regolazione. Inoltre, il sistema cuffia non può essere completato finché la cuffia non viene tarata. Se il circuito Anc è integrato nella capsula auricolare con aggancio over-the-ear, il retro della cuffia deve essere rimosso durante la taratura. Si rischia così che il comportamento acustico della cuffia sia diverso dopo il riassemblaggio della capsula auricolare, generando così una nuova variazione non compensata nella prestazione Anc.

La taratura automatica migliora
la resa e la prestazione

Se questo processo manuale è lento, inaffidabile e costoso, come può essere automatizzato? La risposta sta nell'implementazione di un circuito con una capacità di taratura digitale dedicata (caratteristica presente in una nuova generazione di circuiti integrati Anc, l’AS3410/AS3430 di austriamicrosystems). In un sistema di taratura automatico, il jack audio deve diventare l’ingresso di taratura. Oltre al terminale della batteria, il jack audio da 3,5 mm costituisce l’unico percorso verso l'hardware interno. Usato come l’ingresso di taratura, il jack può configurare i potenziometri digitali nella circuiteria Anc. Un sistema automatico richiede anche un mezzo di comunicazione tra un sistema di misurazione automatico e la cuffia. Nell’AS3410/30, un box di comunicazione intelligente applica una speciale sequenza all‘input audio, che gli consente di diventare un ingresso di taratura. Dopo la configurazione iniziale del sistema da parte degli ingegneri di produzione della cuffia, il processo di taratura digitale può diventare parte integrante di un sistema di prova automatico. Rispetto al metodo attuale di produzione, il vantaggio è evidente: si elimina la necessità di un’attenta regolazione manuale con l’ausilio di un cacciavite e l’operatore che controlla le cuffie non deve più disporre di conoscenze dettagliate circa il funzionamento della taratura. Inoltre, questo sistema di taratura automatico non richiede l’apertura del sistema cuffia, per cui l’integrità acustica del prodotto viene mantenuta anche dopo la taratura. L’esperienza dei clienti ha dimostrato che, avvalendosi di questa tecnologia di taratura digitale, il tempo di taratura viene ridotto di oltre il 60% rispetto alla taratura manuale. L’AS3410/30, che integra un amplificatore audio a basso rumore con la circuiteria Anc, offre anche un risparmio del 50% sul costo della distinta base rispetto a soluzioni Anc discrete.
Un sistema di taratura automatico come quello abilitato dall'AS3410/30 elimina l’errore umano, migliora la resa di produzione e garantisce risultati più affidabili e con prestazioni più elevate. L’obiettivo è di produrre cuffie Anc molto più economiche e quindi alla portata del mercato del consumo di massa, che non siano, come succede ora, un articolo di alta gamma.

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