cuffie a riduzione attiva del rumore · tesina esami di stato 5 at elettronica -2017 zambra oscar...

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TESINA Esami di Stato

5 AT Elettronica

Anno 2016-2017 Zambra Oscar

ANRCM01 Rev.1

Zambra Oscar – Classe 5 AT – A.S. 2016 - 2017 Pagina 1 di 36

CUFFIE A RIDUZIONE ATTIVA DEL RUMORE



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INDICE DELLE PAGINE

1. OBBIETTIVI ............................................................................................................................................................ 3

2. PREMESSA – COS’È LA RIDUZIONE DEL RUMORE ............................................................................................... 4

3. DA DOVE INIZIARE ................................................................................................................................................ 6

4. SCHEMA DEL CIRCUITO ........................................................................................................................................ 8

5. PART LIST PRELIMINARE ...................................................................................................................................... 9

6. ACQUISTO COMPONENTI .................................................................................................................................... 10

7. ASSEMBLAGGIO CIRCUITO PROTOTIPO ............................................................................................................ 11

7.1. CONFIGURAZIONE DELLA LINEA DI ALIMENTAZIONE E DEL MICROFONO ................................................ 11

8. PROGETTAZIONE DEL PCB ................................................................................................................................. 15

9. ASSEMBLAGGIO CIRCUITI DEFINITIVI ................................................................................................................. 17

10. PROGETTAZIONE DELLE CUFFIE 3D ............................................................................................................... 18

10.1. DISEGNAZIONE CAD 3D .................................................................................................................................. 18

10.2. STAMPA 3D ..................................................................................................................................................... 20

11. ASSEMBLAGGIO CUFFIE CON CIRCUITI E HARDWARE .................................................................................. 21

12. MISURAZIONI E COLLAUDI .............................................................................................................................. 22

12.1. MODALITA’ DI ESECUZIONE DELLE PROVE .................................................................................................... 24

12.2. RISULTATI DELLE PROVE ............................................................................................................................... 31

13. CONCLUSIONI ................................................................................................................................................. 35

14. CONSIDERAZIONI, POSSIBILI IMPIEGHI E EVOLUZIONE TECNOLOGICA ........................................................ 36



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1. OBBIETTIVI Suono il Basso Elettrico in un gruppo musicale, spesso eseguiamo registrazioni delle nostre canzoni tramite un computer con interfaccia audio. Durante queste registrazioni mi sono accorto che durante l’ascolto in cuffia, a volte, si sentono dei rumori esterni (tipici rumori casalinghi, quali: lavatrice, porte, scale etc.) che rendono difficoltoso l’ascolto ed anche la comprensione ed il dialogo con altri utenti/interlocutori; questo succede anche quando compongo musica al computer. Inoltre, abito a Sesto Calende e spesso, nei pomeriggi, quando studio in camera mia, magari con la musica, sento il rumore degli arerei ed elicotteri che supera, per un momento, anche il suono dei miei auricolari. Mi sono chiesto più volte: “come fanno i piloti oggi a sopportare il rumore e come avranno fatto, in passato, i piloti del mitico idrovolante S-55X a sopportare il rumore dei motori di questo mostruoso velivolo concepito dal genio di Marchetti quando fecero la lunga Trasvolata Atlantica ?”. Ho verificato le mie cuffie che sono risultate ovviamente delle cuffie economiche di importazione; ricercando sul web ho trovato delle cuffie che hanno dei sistemi di riduzione del rumore integrati. Queste cuffie sono normalmente di fascia alte e piuttosto costose in quanto vengono utilizzate in ambienti dove il rumore esterno è molto elevato, ad esempio: aeroporti, velivoli, formula uno, racing, ambienti industriali; utilizzate a bordo degli aeromobili (dai piloti, co-piloti e membri dell'equipaggio) o per applicazioni a terra (da parte del personale di terra o di personale addetto alla manutenzione).In questi ambienti gli operatori sono sottoposti ad una elevata esposizione al rumore tale da diventare (in alcun i casi) insopportabile per l’udito umano. Vi sono alcune condizioni che possono limitare il piacere e la sicurezza del volo ed il rumore è sicuramente una di queste. Peraltro, parecchi piloti amano dire che il rombo del motore sia la migliore "musica" per le loro orecchie. Purtroppo è ampiamente dimostrato quanto questa "musica" possa a lungo termine causare un danno permanente e talora grave all'udito. Ma anche a breve termine, l'eccesso di rumore in cabina può ridurre anche notevolmente l'efficienza del pilota e la sicurezza stessa del volo (Demaria & Piazza). Ho voluto approfondire le mie conoscenze sull’argomento e su questa tecnologia e tramite alcuni conoscenti sono riuscito ad avere in prestito delle cuffie da pilota con tecnologia ANR, da provare. Durante le mie ricerche ho scoperto che le cuffie (con tecnologia di abbattimento rumore) sono costruite da poche marche e per impieghi molto specifici; poche di quelle di fascia più alta sono digitali ed integrano nel circuito sistemi di comunicazione Bluetooth e Wireless, altre hanno un circuito analogico più o meno complicato che potrebbe essere costruito con pochi componenti, semplificato e miniaturizzato in quanto una delle necessità primarie è la dimensione del circuito che per forza di cose viene alloggiato all’interno dei padiglioni delle cuffie. Le cuffie con sistemi Bluetooth e Wireless digitali al momento non sono ancora certificate per l’uso su velivoli, in quanto potrebbero interferire con le comunicazioni tar velivolo e terra. Ad oggi le cuffie aeronautiche a riduzione attiva del rumore sono soggette a certificazione per l’uso su velivoli e per motivi di affidabilità montano dei circuiti analogici ben collaudati; purtroppo l’uso di materiali speciali e test certificativi portano il prezzo di queste cuffie tra i 500€ e i 1000€ circa. Sul mercato non ci sono ancora cuffie commerciali a basso costo che integrano tale tecnologia. Di conseguenza mi sono prefissato l’obbiettivo di costruire delle cuffie a riduzione attiva del rumore in grado di abbattere o diminuire il rumore esterno con un semplice circuito analogico di ridotte dimensioni e con un costo molto basso. Ho deciso di costruire sia il circuito che la parte meccanica delle cuffie.



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2. PREMESSA – COS’È LA RIDUZIONE DEL RUMORE Le cuffie a Riduzione del Rumore sono la migliore soluzione per una chiara comunicazione in ambienti rumorosi, come i voli in elicottero, aereo o aeroporti. I velivoli generano livelli di rumore sostanziali, soprattutto a bassa frequenza. Questi livelli di rumore alla lunga sono dannosi per l'orecchio. Generalmente le cuffie a Riduzione del Rumore sono disponibili in due diverse tipologie

Passive Noise Reduction Tipo - PNR

Active Noise Reduction Tipo – ANR Analogico o Digitale Riduzione del rumore passivo (PNR) e la riduzione attiva del rumore (ANR). La riduzione passiva viene ottenuta solamente da materiali fonoassorbenti e da barriere fisiche poste prima dell’orecchio (queste cuffie non hanno circuiti, ma solamente gli altoparlanti). La tecnologia ANR (Active Noise Reduction), o riduzione attiva del rumore è una caratteristica innovativa che si trova su alcune cuffie di fascia alta, ma di cosa si tratta e come funziona? In primo luogo è necessario capire una cosa o due riguardo il suono. Il suono è una vibrazione meccanica che passa attraverso un mezzo in forma di un'onda. Tale mezzo può essere aria, acqua, cemento, non importa, purché ci sia una sostanza che può trasmettere le oscillazioni. La Riduzione del Rumore Passivo (PNR) funziona perché si interpone una barriera fisica nel moto di quelle oscillazioni, smorzandole. E 'come cercare di eseguire un percorso ad ostacoli, la più ostacoli dovrete attraversare, il più stanchi sarete quando arriverete alla fine. Il controllo attivo del rumore, noto anche come cancellazione del rumore, o riduzione attiva del rumore (ANR), è un metodo per ridurre suoni indesiderati mediante l'aggiunta di un secondo suono appositamente per annullare la prima. In teoria, l'idea di cuffie con cancellazione del rumore è abbastanza semplice una volta che si capiscono i principi fondamentali delle onde sonore. In una cuffia ANR, un minuscolo microfono all'interno del padiglione delle cuffie posto sopra l’orecchio raccoglie (capta) il rumore intorno ad esso. Il campione del rumore viene passato al circuito che produce una opposta "immagine speculare" esatta del suono. Poiché il suono generato è un "anti-suono" rispetto al rumore originale, questi si incontrano e si annullano a vicenda. Il risultato è il silenzio. In ogni cuffia a soppressione attiva di rumore sono presenti tre elementi fondamentali:

un microfono che "percepisce" livello del suono all'interno della coppa auricolare della cuffia; un circuito elettronico che "elabora" il segnale e lo invia all'altoparlante anti-rumore; un altoparlante (o "driver") che "aggiunge" un suono all'interno della coppa auricolare.

Questo suono "aggiunto" si combina con il rumore ambientale, per ridurre il livello di rumorosità globale. La cancellazione attiva è dovuta alla "sommatoria" dei due segnali. Il livello della cancellazione ottenibile è una funzione di molte variabili, che verranno trattate qui di seguito.

Cosa significa "cancellazione" Per prima cosa, facciamo chiarezza su ciò che si intende per cancellazione di rumore. Spesso ci si chiede se la riduzione attiva del rumore sia costituita solo da un suono "mascherante" che "nasconde" il rumore, come il dentista che può utilizzare la musica od il rumore bianco per "mascherare" il fastidioso rumore del trapano. Questo "segnale mascherante" non fa che aggiungere un ulteriore rumore nell'ambiente acustico, per far sì che l'orecchio od il cervello percepiscano una frequenza



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differente e più gradevole di quella originaria. Ma questa non è ovviamente una "cancellazione" e non è quanto fa una cuffia a cancellazione attiva (Demaria & Piazza). La cancellazione attiva comporta “l’addizione” di onde sonore “un sistema in cui un'onda si mescola con un'altra attutendone l'energia”. Questa tesi si focalizza sulle tecniche di cancellazione "analogiche", che costituiscono l'approccio utilizzato per le cuffie oggi in commercio, citeremo d'ogni modo anche la cancellazione digitale. Può sembrare strano aggiungere grandi quantità di "nuova" energia sonora nella coppa auricolare e nel condotto uditivo, ma è proprio così che funziona questo sistema attivo. Un microfono percepisce il profilo di frequenza ed ampiezza d'onda istante per istante all'interno della cavità della coppa, questo segnale viene elaborato ed amplificato dal circuito elettronico e l'altoparlante produce infine un segnale invertito di "anti-rumore" in grado di cancellare le onde sonore. Il picco del suono che si sente è definito dalla sua frequenza (misurata in Hertz) che si riferisce al numero di "cicli" che un’oscillazione completa in un secondo. Un'altra proprietà delle onde sonore è che sono additive. Come tali, sono soggetti a interferenze, di cui ci sono due tipi descritte dalla fisica: costruttive e distruttive. Qual è la differenza? Date un'occhiata a queste forme d'onda sinusoidali:

La prima onda in alto è l'onda risultante si ottiene quando si combinano le due più in basso. Come si può vedere nella parte sinistra dell'immagine, le due onde in basso vengono sincronizzate, o messe "in fase", e quelle a destra sono "fuori fase" di 180° (esattamente opposte). Così, quando le onde vengono “fasate” insieme, si ottiene un'onda più forte, e quando le onde sono state “fasate” oppostamente, le onde si annullano. Come questo concetto viene applicato alla tecnologia ANR ? In genere, ciò che troverete è che ci sono circuiti elettronici abbastanza complessi (vista l’industrializzazione) in ogni padiglione che raccoglie il suono esterno, normalmente invia il segnale ad un "amplificatore operazionale ad inversione di fase" e poi invia quel suono mediante il medesimo altoparlante dell'auricolare che riproduce solamente il segnale di cancellazione del rumore. Ho visto dei kit disponibili in rete, ma in realtà non ho avuto il coraggio di spendere oltre 150-200€ per un set che è certo compatibile con auricolari da aviazione e si inserisce perfettamente nei padiglioni già esistenti.

http://en.wikipedia.org/wiki/Interference_(wave_propagation)



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3. DA DOVE INIZIARE Un microfono miniaturizzato (M=capsula) è posizionato nella padiglione delle cuffie vicino all'elemento auricolare e il più vicino possibile all'ingresso del condotto uditivo.

Schema del Circuito di Cancellazione

Questo microfono avverte il rumore che entra nell'orecchio. Il segnale sviluppato dal microfono rappresenta il rumore che ha penetrato la barriera di attenuazione passiva (materiale di riempimento dei padiglioni), ed è composto prevalentemente da basse frequenze. Questo segnale viene alimentato da un circuito in cui viene invertita la fase, amplificata e quindi genera un segnale anti-rumore che annulla il rumore intrusione. Questo è un tipo di sistema di controllo chiamato: “a retroazione”.

Rappresentazione Grafica del Concetto di Segnale Invertente Sovrapposto



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La logica vuole che si cominci dall’inizio con una comprensione di ciò che fa il circuito ANR e fare una lista dei requisiti:

Circuito dovrà essere abbastanza piccolo per adattarsi all'interno auricolari della cuffia.

Dal momento che probabilmente avrà bisogno di una fonte di alimentazione esterna, quale una batteria, vogliamo che questa sia integrata in un vano degli auricolari (in futuro potrebbe essere ricaricato dall’esterno).

Deve essere a buon mercato e di facile costruzione.

Deve avere un basso numero di componenti, questo per garantire l’affidabilità.

Deve essere Mono.

Le cuffie dovranno avere un connettore del tipo a Jack 2 poli standard.

L’alimentazione, per motivi pratici, è sempre +/-9V (batterie intercambiabili). Il microfono è alimentato da questi 9V e il segnale passa attraverso alcuni amplificatori operazionali per essere pre-amplificato, invertito e miscelato (summing) con il segnale audio (music input) in ingresso dalla porta per le cuffie del velivolo, diretto all'altoparlante dell'auricolare. Gli amplificatori operazionali sono i componenti chiave del circuito; la scelta è ricaduta su un amplificatore operazionale duale TL082 Texas Instruments per le seguenti caratteristiche tecniche: Amplificatori operazionali con ingresso JFET ad alte prestazioni e uscita bipolare di Texas Instruments con basse correnti di polarizzazione in ingresso e un'elevata velocità di risposta. Questi amplificatori operazionali offrono bassa rumorosità e bassa distorsione e sono adatti ad un'ampia gamma di applicazioni audio e di elaborazione del segnale. L'alta impedenza di ingresso li rende una scelta ideale nei casi in cui il carico del circuito deve essere ridotto al minimo.

• Basse correnti di polarizzazione in ingresso e offset • Ampia gamma di tensione di alimentazione: da ±5 a ±15 V • Bassa rumorosità: 18 nV/√Hz tipico a 1 kHz • Velocità di risposta elevata: 13 V/μs tipico • Bassa distorsione armonica totale: 0,003% tipico

Successivamente è stato realizzato il Disegno Schematico del Circuito (Paragrafo 4 - Allegato 1) tramite il Software EAGLE e la Lista delle Parti (Allegato 2).

http://www.instructables.com/file/FN6HRDEHOUFQ6QI/



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4. SCHEMA DEL CIRCUITO

DESCRIZIONE

Il microfono elettrete (Electret) capta il segnale sonoro e lo invia al primo stadio di un amplificatore operazionale duale TL082 (IC1A) in configurazione invertente.

L'uscita dal primo stadio passa nel secondo stadio (IC1B) in configurazione non invertente, unito al segnale in ingresso dell'auricolare (INPUT). L'uscita va agli auto-parlanti (SPK) negli auricolari delle cuffie.

I condensatori presente sui rami dell’alimentazione +/-9V (C1) hanno il compito di rimuovere i disturbi alle alte frequenze.

C2 è un condensatore di accoppiamento AC utilizzato per rimuovere l’offset e passare solo il segnale di rumore che il microfono sta rilevando. L'uscita di C2 porta alla stadio di pre-amplificazione. Ù

Il potenziometro (POT) regola il volume dell’uscita negli auricolari; R4 è anch’essa variabile e svolge un compito importante: aumenta o diminuisce il gain della curva che determina lo sfasamento della FDO e quindi la performance di abbattimento del rumore.

L’interruttore INT accende o spegne il circuito ANR, ma non elimina l’uscita del segnale input esterno che va agli auricolari. Per questo, in seguito è stato aggiunto un interruttore che “staccasse” il circuito completamente dall’alimentazione.



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5. PART LIST PRELIMINARE

Part List Componenti Elettronici

POS. DESCRIZIONE Circuito CUFFIA Sinistra

Circuito CUFFIA Destra

Costo PRE

B1 / B2 Batteria da 9V Li + 1 1 OK

R1 4.7KΩ resistore 1 0 OK

R2 2.2KΩ resistore 1 0 OK

R3 1kΩ resistore 1 0 OK

R4 Resistenza var. per la taratura del circuito 1 0 OK

R5 / R6 10KΩ resistore 1 0 OK

R7 1kΩ resistore 1 0 OK

R8 /R9 10kΩ resistore 1 0 OK

C1 33μF condensatore elettrolitico 1 0 OK

C2 0.01μF condensatore plastico 1 0 OK

C3 / C4 1uF condensatore film metallico 1 0 OK

IC1 TL082 Doppio Op Amp 1 0 € 0,537 OK € 2,148

CAP Electret microfono 1 0 OK

POT 100K Ω 1 0 OK

SPK Altoparlanti 2 1 OK

INT Interruttore a levetta 2 OK

PCB 1 0 OK

* Nota, tutte le resistenze sono 1/4W

Oltre ai componenti elettronici per la costruzione del circuito è stata realizzata la Lista delle Parti meccaniche e delle attrezzature necessarie alla costruzione delle cuffie:

Part List Componenti Meccanici

POS. DESCRIZIONE Quantità Padiglione 2

Materiale fonoassorbente 2

Archetto 1

Connettore 1

Fili rame QB

Cablaggio 1

Cuscinetti auricolari 2



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Attrezzature e Strumentazione

POS. DESCRIZIONE Quantità Multimetro digitale 1

Oscilloscopio digitale 1

Saldatore 1

Computer iMac27 1

SW Logic ProX 1

SW Sound Analyzer 1

SW B&K 1

Fonometro 1

Manichino Dummy per test 1

6. ACQUISTO COMPONENTI Tutto il materiale (componenti) è stato acquistato da Distributori Online (RS, Distrelec, Radioshack etc.); per ogni componente è stato scaricato il Datasheet per la verifica dei dati tecnici (Vedi allegati). Per quello che riguarda gli altri materiali, sono state usate parti di recupero provenienti da altre cuffie. Le attrezzature e la strumentazione utilizzata è stata ottenuta in prestito, escluso il PC/Logic e gli altri Software che sono gratuiti.

Analisi dei costi

POS. DESCRIZIONE Circuito

CUFFIA Sinistra

Circuito CUFFIA Destra

Q.tà Totale

Costo Unitario

Costo Sub-Totale

B1 / B2 Batteria da 9V Li + 1 1 2 5,06 10,12

R1 4.7KΩ 1 1 2

R2 2.2KΩ 1 1 2

R3 1k 1 1 2

R4 1k 1 1 2

R5 Trimmer 100KΩ resistore 1 1 2

R6 / R7 10k 1 1 2

R8 47Ω resistore 1 1 2

C1 33μF condensatore elettrolitico 1 1 2

C2 0.01μF metallizzato Film Capacitor 1 1 2

IC1 TL082 Doppio Op Amp RS 304-217 2 2 4 € 0,537 € 2,148

M1 Electret microfono 1 1 2

Breadboard 1 1 2

SP1 Altoparlanti 1 1 2

Stagno



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7. ASSEMBLAGGIO CIRCUITO PROTOTIPO Il circuito prototipo verrà testato su una Breadboard (senza saldature) e successivamente ne verranno costruiti due definitivi che verranno montati su due basette millefori appositamente dimensionate per poter alloggiare il circuiti nei padiglioni destro e sinistro delle cuffie.

7.1. CONFIGURAZIONE DELLA LINEA DI ALIMENTAZIONE E DEL MICROFONO

Sulla Breadboard sono state utilizzate due batterie per ottenere + 9V e -9volt e ponticellati uno dei + 9Vs e uno dei -9Vs insieme. Questo crea il binario (linea) di alimentazione da + 9V e da -9V e massa.

Una volta configurata la Linea di Alimentazione, si sono portati 9Va alla resistenza 4.7KΩ, si è collegato il condensatore di disaccoppiamento 33μF in serie e poi a massa.

Si è predisposta una protezione del circuito per evitare picchi, questo per evitare di sostituire costantemente i circuiti integrati.

Si è poi provveduto a collegare una resistenza 2.2KΩ in serie con la R 4.7KΩ per poi collegare questo al cavo positivo del microfono.

Qui la problematica è stata quella di capire quale dei due pin del microfono era quello positivo e quale negativo, si è verificato al collegamento.

Si è poi collegato anche il condensatore 0.01μF al terminale positivo. Da qui esce il segnale. L'altro pin del microfono va direttamente a massa.

7.2. INVERSIONE FASE

Per l’alimentazione dell’Operazionale, è stato eseguito un collegamento di +9V al pin 8 del circuito integrato e un collegamento -9V al pin 4 del circuito integrato.

In teoria potremmo farlo con una singola batteria da 9V, ma l'amplificazione sarebbe inaffidabile anche nella migliore delle ipotesi. Inoltre avere una tensione più alta significa avere un assorbimento di corrente leggermente inferiore, in modo che le batterie durino più a lungo (anche se è solo una piccola percentuale, in ambito aeronautico è fondamentale).

Prelevato il segnale del microfono (negativo del condensatore) è stato collegato attraverso una resistenza (in questo caso 1k) al secondo pin del TL082. Questo è il "ingresso invertente" sul chip.

E’ stato posizionato un resistore di retroazione che va dal pin di ingresso al pin di uscita (100KΩ).

Il rapporto tra questa resistenza e la resistenza sulla linea di ingresso determinano la quantità di amplificazione che si otterrà da questa fase.

Il circuito è stato testato con l'amplificazione fino a 100x solo per vedere che cosa succedeva quando il dispositivo fosse stato finito, anche se probabilmente si potrebbe cambiare a una resistenza trimmer in sviluppi successivi per essere in grado di regolare bene il rapporto (ratio).



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7.3. TEST PRELIMINARE DEL CIRCUITO

Il cavo positivo è stato collegato ad un altoparlante di riserva. Al pin di uscita della prima fase. Si dovrebbe sentire qualcosa quando si tocca l'elemento del microfono. In caso contrario, invertire la polarità. Se la risposta è ancora no, hai fatto qualcosa di sbagliato - andare indietro e controllare il lavoro.

7.4. FASE NON INVERTENTE Il passaggio successivo è stato il collegamento della “fase non-invertente”:

E’ stata aggiunta una resistenza trimmer in linea tra i due stadi, per essere in grado di regolare il "volume" del segnale ANR prima che arrivi al diffusore cuffia stessa.

Questo è stato fatto per scopi di messa a punto e successivamente sostituito da un potenziometro con un piccolo pomello di regolazione posto all’esterno di uno dei due padiglioni delle cuffie; in una posizione facilmente raggiungibile dall’utilizzatore (Pilota, Copilota, Crew etc.).

Si è collegato il (1) primo pin del trimmer alla linea di uscita per lo stadio invertente.

Si è collegato il (3) terzo pin del trimmer a terra (massa).

Il secondo (2) pin è dove otterremo sempre il nostro segnale per la fase non-invertente, quindi questi è stato collegato al pin 5 sul chip.

E’ stato poi eseguito un collegamento per il segnale originale attraverso l'auricolare, anch’esso al pin 5.

In seguito il polo negativo del segnale originale è stato collegato a massa (questo per creare una massa comune tra l'ANR e il velivolo/veicolo) .

L'altro pin è dove avviene la configurazione non invertente dell’operazionale.

E’ stata collegata una resistenza da 10k tra il pin 6 e la terra (massa), e un altro resistore 10k tra i pin 6 e 7 sul IC. Questo ha impostato un rapporto 1/1 in modo che il segnale proveniente dall'amplificatore non venga amplificato affatto. Il motivo per cui è stata utilizzata questa soluzione è dovuto al fatto che come il collegamento di due uscite di diversa ampiezza allo stesso altoparlante (non combinandole attraverso un amplificatore) può portare a risultati indesiderati.



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7.5. TEST FINALE DEL CIRCUITO PROTOTIPO Per verificare il funzionamento del circuito è stato necessario eseguire dei test. Alimentando il circuito e collegando l’ingresso audio, il segnale è uscito correttamente dagli altoparlanti con un suono più che decente. Si è comunque reso necessario identificare i Test Point del circuito su cui eseguire le letture di verifica del segnale in ingresso e del segnale invertito. Attraverso l’utilizzo di un Generatore di Funzioni e di un Oscilloscopio si è verificato che il circuito di prova realizzato è perfettamente in grado invertire il segnale, come evidenziato dalle Forme D’Onda registrate durante la prova:

Esecuzione del Test

Generatore di Funzioni Oscilloscopio a 2 Canali



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Le Forme D’Onda registrate durante la prova evidenziano:

Sul CH1 – Il segnale generato da 1.00V (100.0 mVpp)

Sul CH2 – Il Segnale invertito dall’amplificatore operazionale invertente

FDO Segnale Generato vs. Segnale Invertito



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8. PROGETTAZIONE DEL PCB Visto che i test eseguiti sulla Breadboard sono stati positivi si è deciso di far realizzare dei PCB (online) a basso costo. La progettazione del PCB è stata eseguita con il Software EAGLE, uno dei programmi più semplici e potenti per la realizzazione di schemi elettrici e PCB. Dall’editor Schematico si è passati all’editor del Layout PCB, il file (.GBR) così generato, insieme al disegno dimensionale, è stato poi utilizzato per la realizzazione del PCB da parte di una ditta specializzata.

File GBR creato con Software EAGLE

Immagini del circuito con dimensioni – Preliminare di Stampa



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Circuito Stampato Doppia Faccia

Il circuito è stato realizzato stampato a doppia faccia con fori metallizzati, finitura con argento chimico, serigrafia su un lato e solder su entrambi. Le dimensioni sono 60 mm di larghezza e 30 mm di altezza, sono stati realizzati anche 4 fori per il fissaggio e tutte le piazzole per i cavi.



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9. ASSEMBLAGGIO CIRCUITI DEFINITIVI E’ stato montato circuito il definitivo su PCB appositamente progettato per potersi alloggiare nel padiglioni sinistro delle cuffie.

Circuito Assemblato con Test Points



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10. PROGETTAZIONE DELLE CUFFIE 3D Il progetto prevede la realizzazione della parte meccanica delle cuffie (archetto, padiglioni, etc.) mediante la Stampa 3D in materiale plastico. Sono state smontate diverse cuffie commerciali per investigare gli stampi, i componenti, i cavi ed i materiali usati. Si è quindi deciso di realizzare le parti al CAD e poi stamparle in ABS nero (plastica tipicamente usata nella stampa 3D) per sperimentare le possibilità di utilizzo della stampa 3D. In futuro la stampa 3D potrebbe sostituire la stampa ad iniezione tradizionale e potrebbe evolversi in materiali più leggeri (carbonio, ultem) e resistenti integrando infine i cavi e le piste dei circuiti annegati nello stampo.

10.1. DISEGNAZIONE CAD 3D

Si è realizzato un progetto di cuffie partendo da dati tecnici e normativi per realizzare un prodotto quanto più vicino possibile all’impiego reale. Sono state utilizzate delle misure antropometriche standard come illustrato di seguito per adattare le cuffie a diversi tipi di persone con diverse misure antropometriche; in particolare per le misure della testa/cranio è stata utilizzata un Modello virtuale Tridimensionale di Testa Umana con proporzioni e misure antropometriche standard.

Modello Tridimensionale di Testa Umana con proporzioni e misure antropometriche standard



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Sul modello 3D della testa sono state realizzate tutte le parti che compongono l’assieme cuffia. Le parti sono mobili per adattarsi a diverse teste e diverse angolazioni del canale auditivo.

Rendering 3D



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10.2. STAMPA 3D

Le parti delle cuffie sono state stampate (come file STL) mediante una Stampante HP 3D in materiale ABD di colore Nero.

Particolari in ABS Stampati 3D

Esploso delle parti prima del montaggio finale



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11. ASSEMBLAGGIO CUFFIE CON CIRCUITI E HARDWARE

Il circuito, le batterie, lo switch, il potenziometro, la capsula e tutti i cavi sono stati inseriti comodamente nel padiglione sinistro delle cuffie. I cavi di alimentazione e audio passano da un padiglione all’altro e collegano gli altoparlanti e le batterie.

Montaggio Finale

Cablatura



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12. MISURAZIONI E COLLAUDI

Manichino Professionale per Test di Laboratorio e Certificazione Aerospaziale

La parte più difficile e complicata del progetto è la Verifica della Capacità di Abbattimento del Rumore delle cuffie realizzate. Normalmente le cuffie aeronautiche, cuffie di alta gamma, cellulari etc. vengono testate secondo delle Normative Internazionali e con strumentazione e attrezzature specifiche quali:

Acoustic Test Fixture (Torso Heads) – Testa di Manichino dotata di microfoni posizionati nelle orecchie, viene usata per la sua capacità di ascoltare (in luogo di utilizzare una persona ovviamente si preferisce sempre un manichino per avere dei dati misurabili).

Anechoic Room – Camera Anecoica – Camera insonorizzata in cui è possibile effettuare test in totale silenzio.

Audio Precision Analyzer – Analizzatore Audio (di tipo software)

Microphones – Microfoni usati sono il Fonometro ambientale e n° 2 Microfoni Lavalier all’interno del manichino.

Audio Cables – Cavi audio necessari ad effettuare i collegamenti

Software – Diversi sono I software utilizzati per Misurazione e Analisi

Fonometer – Fonometro per la misurazione del rumore ambientale (sorgente di rumore)

Esempio di Manichino Professionale per l’uso su elicotteri



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Considerazioni sulle Caratteristiche Tecniche delle Cuffie Esistono quattro parametri principali da prendere in considerazione per valutare la qualità delle cuffie. Il primo parametro è la Risposta in Frequenza, ossia la gamma di frequenze che la cuffia è in grado di riprodurre. La Risposta in frequenza viene, di solito, espressa in Hz (o in multipli di Hz). Una buona cuffia deve poter offrire la possibilità di ascoltare tutti i suoni percepibili dall'orecchio umano. L'intervallo di suoni teoricamente percepibile dall'uomo va dai 18 Hz ai 22 000 Hz. Si parla, in questo caso, di “percezione teorica” perché, in realtà, solo un “orecchio” ben allenato, “sano” e giovane riesce a percepire tutti i suoni compresi in questa gamma dinamica: generalmente, invece, un orecchio medio percepisce una gamma di frequenze compresa tra i 20 Hz ed i 20 000 Hz. Pertanto una buona cuffia dovrebbe avere una Risposta in frequenza di almeno 20 - 22 000 Hz. Il secondo parametro, strettamente legato al primo, è la Linearità in Frequenza, ovvero quanto sia costante il livello di suono emesso, spaziando tra i due estremi di frequenza dichiarati, ottenere la linearità assoluta non è tecnicamente possibile, in qualche punto nell'intervallo di frequenza dichiarato si avranno delle esaltazioni o attenuazioni del segnale riprodotto, lo scostamento medio rispetto ad un segnale di riferimento è espresso in dB, minore è il valore, migliore risulta la linearità della cuffia. Questo dato, sempre fornito allegato agli amplificatori, non sempre viene fornito dai produttori di cuffie e diffusori, il miglior modo di rappresentarlo è fornirlo sotto forma di grafico, come avviene per gli amplificatori. Il terzo parametro è la Sensibilità, ovvero, in modo analogo ai diffusori, quanta pressione acustica espressa in dB riesce a fornire, dato un preciso valore di tensione applicato. Questo dato indica il massimo livello di suono riproducibile fedelmente. Più il valore in dB è elevato (più è alta la Sensibilità), più alto è il volume di suono riprodotto in modo fedele. Delle buone cuffie dovrebbero avere una sensibilità pari o superiore ad 85 dB (valori inferiori a 85 dB potrebbero indicare una cuffia di basse prestazioni). Le cuffie audio ad alta fedeltà hanno generalmente un valore di sensibilità molto elevato e compreso tra i 95 db ed i 109 dB (ottimo valore); alcune cuffie dichiarano valori pari o superiori a 110 dB. Il quarto parametro è l'Impedenza, ovvero la resistenza di una bobina ad essere attraversata da un campo elettromagnetico in corrente alternata. L'unità di misura di entrambe è l'ohm. I valori di impedenza adottati dai costruttori per le cuffie dinamiche variano notevolmente, da un minimo di 8 a un massimo di 600 (NOTA: nelle cuffie realizzate sono stati usati degli Altoparlanti Militari Waterproof da 300 Ohm). La notevole differenza di questo valore è in ragione delle diverse tipologie di amplificatore al quale la cuffia andrà collegata. L'intensità del suono prodotto dipende dal valore di corrente che circola nella bobina dell'auricolare, dissipando watt, ovvero potenza, secondo la legge di Ohm, dove R è l'impedenza della cuffia. Ne consegue che maggiore è la tensione disponibile all'uscita dell'amplificatore, più alto può essere il valore di impedenza della cuffia. Un impianto Hi-Fi casalingo alimentato dalla rete, non ha problemi a fornire il segnale per la cuffia a livelli anche di decine di volt; per contro, nel caso di un lettore mp3 portatile alimentato da piccole batterie, necessariamente il livello di tensione fornito all'uscita cuffia non potrà superare quello delle batterie che lo alimenta. Ne consegue che per avere un adeguato volume in uscita necessariamente si deve scendere col valore di impedenza. Nel caso dei test che si andranno ad eseguire questi parametri verranno tenuti in considerazione.



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12.1. MODALITA’ DI ESECUZIONE DELLE PROVE Per una corretta esecuzione delle prove è stato necessario costruire un "manichino capace di sentire i rumori” (Torso Head) dotato di microfoni al fine di simulare un vero manichino di prova; in quanto il manichino essendo uno strumento professionale ha un costo elevatissimo.

Manichino e Microfoni Lavalier

Dopo aver acquistato una testa di manichino in plastica e piena di schiuma, sono state realizzate le cavità del condotto anaurale nelle orecchie del manichino nelle quali sono stati inseriti i microfoni di tipo XXXXXXXXXXXX con un SPL Max in ingresso di 120dB.



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DESCRIZIONE DUMMY HEAD “MICKEY” La testa di manichino “MICKEY” è un dispositivi Microfonico Stereo Binaurale (Binaural Dummy Head) che ricorda la testa umana ed ha due capsule microfoniche installate nelle orecchie. Quando si usa la testa artificiale “MICKEY”, l'esperienza stereo binaurale sposta l'ascoltatore nella scena della performance originale, a differenza di altre tecniche di registrazione relative allo spazio, dove l'evento acustico viene spostato a chi ascolta. La testa di prova è utilizzata spesso in molte applicazioni industriali come un dispositivo di misurazione, ad esempio nella ricerca acustica. La testa di manichino “MICKEY” è una replica della testa umana con un microfono incorporato in ciascun orecchio. Quando il segnale audio registrato viene riprodotto attraverso le cuffie poste sul manichino, l'ascoltatore percepisce un'immagine sonora quasi identica a quella che avrebbe sentito nel luogo di registrazione del manichino testa (stereofonia testa-correlati).

TESTA DI MANICHINO BINAURALE

MANNEQUIN BINAURAL HEAD

DIAGRAMMA MICROFONO OMNIDIREZIONALE

OMNIDIRECTIONAL MICROPHONE PATTERN

MICROFONI LAVALIER

LAVALIER MICROPHONES

AMPLIFICATORE MICROFONO A BATTERIE

BATTERY MIC AMPLIFIER

CONNETTORE AUDIO JACK 3,5MM

AUDIO JACK CONNECTOR 3,5MM

SPLITTER AUDIO JACK 3,5MM

AUDIO JACK SPLITTER 3,5MM

TO AUDIO INTERFACE FOR

CALIBRATION, MONITORING AND

RECORDING

BINAURAL HEAD MANNEQUIN

LAVALIER Microphone Specifications

Transducer: Electret Condenser

Polar pattern: Omni-directional

Frequency Range: 65Hz ~ 18KHz

Signal/Noise: 120 dB SPL

Sensitivity: -30dB +/- 3dB / 0dB=1V/Pa, 1kHz

Output Impedance: 1000 Ohm or less

Connector: 3.5mm (1/8”) 4-pole gold plug

Battery Type: LR44

Schema e Caratteristiche Tecniche del Manichino MICKEY per Test Audio



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Una volta costruito il manichino (MICKEY) è stato necessario realizzare un impianto audio in grado di generare il suono di un velivolo con una Pressione Sonora (SPL) di circa 130 dB utilizzando dei files audio reperibili in rete. Purtroppo non è così semplice generare 130dB, ma utilizzando n°2 casse audio da 300W e n°1 subwoofer da 800W posizionati ad 1 metro dal manichino e dal fonometro, è stato possibile raggiungere il picco massimo di 117 dB. Anche per i Microfoni e le Interfacce Audio utilizzate è stato necessario verificare il Livello Massimo in ingresso, in quanto alcune unità sono limitate a max 92 dB SPL in ingresso; per i test è stata utilizzata una strumentazione con un range di impiego sino a 130 dB e microfono tarato al fine di avere dei risultati accettabili e sicuri. L’impianto, i microfoni ed il manichino sono stati è stato posizionati in una Camera Acustica, i cavi di collegamento sono stati portati all’esterno della cabina attraverso un apposito condotto e collegati al banco prova. Il banco prova è composto da n° 2 computer e da n° 2 interfacce audio:

il PC n° 1 serve a generare il suono/rumore con (SW Audacity) attraverso l’interfaccia audio e l’impianto;

il PC n° 2 serve a registrare (con SW EQ-Wizard) il livello del rumore ambientale e a registrare il livello del rumore effettivamente ascoltato dal manichino, con il circuito ANR spento e/o acceso.



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La seguente immagine illustra lo schema con cui sono state realizzate le prove.

BINAURAL RECORDING WAVES ON/OFF VIA 2i2

AMBIENT NOISE SPL 100DB PC RECORDING VI 2i2

MUSIC VOICE IN EAR FROM PC TO HEADSET

NOISE/SOUND GENERATION LINE 100DB

SYSTUNE REAL-TIME AUDIO MEASURMENT SOFTWARE WITH

OVERLAYS

FOCUSRITE SCARLETT 2CHUSB AUDIO INTERFACE

PC WINDOWS LAPTOP

SKYTEC 600WACTIVE SPEAKERS

SKYTEC 600WACTIVE SPEAKERS

UMIK-1 USB

BINAURAL DUMMY-HEAD MIKEY WITH 2 LAVALIER

COND. IN-EAR MICROPHONES

NOISE ROOM

PC WINDOWS LAPTOP WITH AUDIO TEST TONES PLAYER

Schema di Prova

Dati Tecnici della strumentazione utilizzata per i test:

Qty Descrizione Max SPL input Note

1 Microfono UMIK-1 USB 130 dB

1 Microfoni Lavalier (Manichino) 120 dB

1 AI - Behringer Xenyx 1222USB 130 dB

1 AI - Behringer

1



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La Capacità di Abbattimento (Performance) delle cuffie realizzate è stata testata sottoponendo il manichino ad un Rumore Esterno di oltre 117dB generato da un impianto stereo. Per generare dei rumori esterni (riferibili) sono stati utilizzati dei Files Audio denominati “AUDIO NOISE TEST TONES” (disponibili in rete gratuitamente) specifici per prove di Rumore:

NOISE TEST TONES

ID NOISE NAME

DESCRIPTION / FREQUENCY TEST TONE FILE AVB ICON-SYMBOL

T1 Pink Noise

Pink noise is a random signal, filtered to have equal energy per octave. In order to keep the energy constant over octaves, the spectral density needs to decrease as the frequency (f) increases. This explains why pink noise is sometimes referred as "1/f noise." In terms of decibels, this decrease corresponds to 3 dB per octave on the magnitude spectrum. The name of the color comes from visible light that turns pink when a similar spectral distribution is applied.

audiocheck.net_pinknoise OK

T2 White Noise

White noise is a signal made of uncorrelated samples, such as the numbers produced by a random generator. When such randomness occurs, the signal will contain all frequencies in equal proportion and its spectrum will turn flat.

audiocheck.net_whitenoise OK

T3 White Noise - Gaussian

Listen to our two examples: both noises play at same loudness; however the Gaussian version peaks at a higher level (0 dBFS v/s -6 dBFS). This can be explained as follows: compared to the uniform distribution whose sample amplitudes are equally distributed between a minimum and a maximum value, the Gaussian distribution produces a higher density of low level samples.

audiocheck.net_whitenoisegaussian OK

T4 Brown Noise

Brown noise is a random signal that has been filtered in order to generate a lot of energy at low frequencies. Its power density is inversely proportional to f^2 and decreases by 6 dB per octave. Brown noise produces a much warmer tone than white noise (0 dB/oct) or pink noise (-3 dB/oct).

audiocheck.net_brownnoise OK

T5 Aereo - Blue Angels, F/A-18 Hornets,

Flyover at Goodyear Air Show, Phoenix, AZ, October 21, 2006. Some background noise from crowd.

Blue_Angels_1 OK

T6 Aereo - Blue Angels, F/A-18 Hornets,

Flyover at Goodyear Air Show, Phoenix, AZ, October 21, 2006. Some background noise from crowd.

Blue_Angels_2 OK

T7

Rum. Elicottero - Apache Helicopter Flyover.

The blade passing frequency is 5.25 Hz with the Doppler shift.

Apache OK

T8

Rum. Elicottero - Robinson R22 Helicopter Flyover.

The blade passing frequency is 18 Hz. Robinson OK

PURE (SINE) TEST TONES

T9

Sine Sweep - Full Spectrum (20 Hz - 20 kHz)

This audio file scan all audible frequencies from 20 Hz to 20 kHz in a 5 second time span. (-12dB Oct)

T9-Bandsweep_20Hz_20000Hz_-6dBFS_5s

OK



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T10

Sine Sweep - Full Spectrum (20 Hz - 20 kHz) HAS Human Audio Spectrum (HD Hearing Test - L.5.59)

Sinusoidal wave going trough entire human audio spectrum, starting at 20Hz and ending at 20kHz. Note that the frequency increases exponentially, the idea was to increase the frequency by constant fraction of currently played frequency rather than by a constant value (which would result in clearly noticeable fast change at lower frequencies and nearly no change at higher frequencies). Note: This wave has the same volume level measured by acoustic pressure all the time, however human sound perception differs depending on frequency. For lower frequencies (below 1kHz) you might want to increase your volume, but don't forget to lower it later to avoid damage to your hearing.

T10- HD Hearing Test HAS OK

SPEECH INTELLIGIBILITY AND VOICE TEST TONES

T11 Sine and Vocal Hearing Test

A series of pure sinewave test tones covering the audio spectrum from 20 Hz to 22 KHz, each preceded by a vocal announcement giving the frequency of the following tone. Tones created in Cool Edit Pro.

T11-SVH test OK

T12 SIVT Speech Intelligibility Voice Test

Speech Transmission Index (STI) is a measure of speech transmission quality. The absolute measurement of speech intelligibility is a complex science. The STI measures some physical characteristics of a transmission channel (a room, electro-acoustic equipment, telephone line, etc.), and expresses the ability of the channel to carry across the characteristics of a speech signal. STI is a well-established objective measurement predictor of how the characteristics of the transmission channel affects speech intelligibility.

T12-SIVTmalevoice OK

T13 ICAO Phonetic Alphabet

ICAO record The Spelling Alphabet showing how to pronounce the post-1 March 1956 phonetic alphabet (2.9 MB MP3 file)

T13-ICAO-Phonetic-Alphabet OK

ADDITIONAL

T14 Helicopter Co-Pilot/Crew

Helicopter Noise recorded from the inside cockpit by the copilot, Takeoff, Mission and Landing

T14-Helicopter CoPilot OK

T15 SAVOIA MARCHETTI S55X

Stormo di Idrovolanti Savoia Marchetti SM 55X Decollo da Orbetello (file esportato da Simulatore di Volo virtuale - Flight Simulator X).

T15-Idrovolante Savoia Marchetti SM 55X Decollo da Orbetello

OK



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L'obiettivo di questa Tesi è la misurazione della cancellazione del rumore ed il confronto fra prestazioni diverse.

Tutte le cuffie ANR sono in grado di cancellare un dato profilo di rumore. Questo profilo può essere disegnato su di un grafico per evidenziare l'entità della cancellazione ed in che punto si manifesta nello spettro delle frequenze. Il processo di misurazione è abbastanza semplice, ma richiede attrezzature e tecniche di laboratorio piuttosto sofisticate. Il test viene eseguito all'interno di una camera acustica chiusa e controllata. La cuffia viene montata su di un apparato (Manichino MICKEY) in cui i microfoni sono posti all'interno delle "orecchie" artificiali, con lo scopo di percepire cosa sentirebbe il pilota. Vengono quindi immessi dei toni variabili ed il microfono (tarato) registra il risultato con l’uso di un Software (REW). Il test viene eseguito due volte, una volta con il circuito di riduzione attiva spento (Curva PNR) ed una volta acceso (Curva ANR). Le differenze fra la prima e la seconda serie indicano quanto è stato cancellato con l'attivazione del sistema, rispetto al SPL Max. I risultati sono rappresentati in forma di grafico, con le frequenze in Hertz (Hz) sull'asse orizzontale e la cancellazione in decibel (dB) negativi sull'asse verticale:

Le prove sono state eseguite “per ogni tipo di rumore” (Test Tone) ed in una sequenza prestabilita, in modo da poter successivamente confrontare i dati rilevati:

1 Determinazione/Misurazione del Rumore di Quiete Ambientale tramite fonometro e registrazione della Curva ottenuta

QAMB SPL Quiet Ambient Sound Pressure Level

2 Determinazione/Misurazione del Rumore Ambientale Velivolo tramite fonometro e registrazione della Curva ottenuta

HELI SPL Maximum Ambient Sound Pressure Level

3 Misurazione dell’Abbattimento Passivo delle Cuffie e registrazione della Curva ottenuta (a circuito spento)

PNRL Passive Noise Reduction Level

4 Misurazione dell’Abbattimento Attivo delle Cuffie e registrazione della Curva ottenuta (a circuito acceso)

ANRL Active Noise Reduction Level

Il Test definitivo è stato eseguito con il Test Tone T14 Helicopter Co-Pilot/Crew perchè è una registrazione reale di un volo in elicottero (registrato dal sedile del Co-Pilota) ed è rappresentativo di una breve missione di circa 5 minuti comprensiva di decollo, volo e atterraggio. Le quattro curve registrate sono state sovrapposte tramite Overlay per analizzare graficamente il comportamento delle cuffie sia in modo Passivo PNR con circuito spento, sia in modo attivo ANR con circuito acceso. L’analisi delle curve ottenute (Sound Analysis) permette di verificare l’abbattimento ottenuto alle diverse frequenze e di misurarne l’abbattimento in decibel.



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12.2. RISULTATI DELLE PROVE

Di seguito sono illustrati i risultati del test sotto forma di grafico delle curve ottenute (Sound Analysis) che ha permessi di verificare l’abbattimento ottenuto alle diverse frequenze e di misurarne l’abbattimento in decibel. Al fine di rendere leggibile il grafico è necessario considerare che le misurazioni della curva relativa al Rumore del Velivolo in cabina indicano un valore medio di circa 110/120 dB con picchi oltre i 130 dB. Il rumore generato dall'elica di un aereo o dalle pale dell’elicottero e le sue frequenze risonanti (armoniche) costituiscono la parte più consistente dello spettro acustico. Il motore, gli scarichi ed il vento relativo aggiungono la maggior parte del resto del profilo di rumore. Ovviamente la potenza del motore, l'aerodinamica e molte altre caratteristiche progettuali contribuiscono al reale profilo di ogni specifico velivolo. Vi sono due caratteristiche generali che risultano evidenti:

Vi è molto rumore alle basse frequenze ... tra i 70 ed i 300 Hz.

Il livello del rumore si riduce andando verso le alte frequenze ... particolarmente oltre i 500 Hz. Entrambe queste caratteristiche sono perfette per l'utilizzo del circuito ANR per una ottimale riduzione del rumore. La cancellazione attiva si comporta bene solo alle basse frequenze non producendo alcuna sensibile riduzione in dB a frequenze superiori ai 500/1000 Hz. Probabilmente, visto che i sistemi attivi richiedono alcuni compromessi nella attenuazione passiva per poter installare i componenti all'interno delle coppe auricolari. Pertanto, non sono altrettanto efficaci nel bloccare il rumore a frequenza elevata.



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Il problema per i piloti è quello di non trovarsi in officine meccaniche, ma nelle cabine degli aerei, dove invece abbonda il rumore a 100 Hz, con livelli spesso di 25-30 dB superiori rispetto alla componente a 1000 Hz. Il danno acustico è senza dubbio maggiormente legato alle alte frequenze, ma anche i livelli di decibel a bassa frequenza spesso contribuiscono in modo significativo alla perdita di udito cui vanno incontro i piloti che non adottano protezioni acustiche, come succedeva nel passato ed agli albori dell’aviazione. Livelli eccessivi di basse frequenze esercitano inoltre un indubbio effetto sulla comprensibilità del discorso ed un impatto psico-fisico e stanchezza sulla durata dovuta a lunghe missioni ed esposizioni al rumore. L’analisi del grafico si è basata in particolare su:

La profondità: ovvero quanto è profonda la cancellazione nel suo punto più basso.

L'ampiezza: ovvero quanto sia largo lo spettro della frequenza di cancellazione.

La posizione: ovvero su quale frequenza è centrato il profilo di cancellazione. Profondità La profondità della curva descrive il massimo livello di cancellazione che ci si possa aspettare. Di solito i dati sono forniti con una tolleranza compresa tra 2 e 4 dB, dovuta a differenze nella sensibilità del microfono, nella calibrazione ed anche nelle caratteristiche fisiche del pilota; esercitano comunque un modesto effetto sul risultato finale.

Ampiezza Considerata la sensibilità dell'orecchio a piccole variazioni in dB, una cancellazione superiore ai 5 dB inizia ad essere significativa. Quando combinata con la "profondità" della curva, queste due misure costituiscono il "totale" della cancellazione che il sistema può fornire. Si può notare nel grafico quanto una cuffia possa cancellare maggiormente le basse frequenze. La parte più consistente dello spettro del rumore è generato dalla frequenza risonante delle eliche/pale, questo accade a 80-90 Hz per eliche bipala e 120-130 Hz per eliche tripala. In questo specifico punto dello spettro il rumore raggiunge il suo massimo volume. L'inviluppo globale del rumore nella cabina di questi aeroplani raggiunge il suo massimo da 40Hz a 250 Hz, pertanto questo è l'ambito in cui la cancellazione è più importante. Il livello del rumore a 500 Hz è tipicamente circa 10 dB più basso di quello a 100 Hz.



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GRAFICO 1 - SPL CURVE OVERLAY

GREEN Determinazione/Misurazione del Rumore di Quiete Ambientale tramite fonometro e registrazione della Curva ottenuta QAMB SPL

Quiet Ambient Sound Pressure Level

RED Determinazione/Misurazione del Rumore Ambientale Velivolo tramite fonometro e registrazione della Curva ottenuta HELI SPL

Maximum Ambient Sound Pressure Level

ORANGE Misurazione dell’Abbattimento Passivo delle Cuffie e registrazione della Curva ottenuta (a circuito spento) PNRL Passive Noise Reduction Level

BLUE Misurazione dell’Abbattimento Attivo delle Cuffie e registrazione della Curva ottenuta (a circuito acceso) ANRL Active Noise Reduction Level

LEGENDA



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GRAFICO 2 -HELI NOISE VS ANR CURVE

RED Determinazione/Misurazione del Rumore Ambientale Velivolo tramite fonometro e registrazione della Curva ottenuta HELI SPL

Maximum Ambient Sound Pressure Level

BLUE Misurazione dell’Abbattimento Attivo delle Cuffie e registrazione della Curva ottenuta (a circuito acceso) ANRL Active Noise Reduction Level

LEGENDA



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13. CONCLUSIONI Nel Grafico n° 2 si può notare quanto le cuffie possano cancellare maggiormente le basse frequenze, ma anche su tutto lo spettro si evidenzia:

un abbattimento medio di circa 20 dB e con dei picchi di abbattimento di oltre 30dB L’analisi indica bene a che livelli ed a che spettro di rumore siano esposti i piloti. Le componenti di bassa frequenza a decibel elevati non vengono efficacemente rimosse da una tradizionale cuffia passiva. Per contro, la cancellazione attiva è progettata specificatamente per ridurre questa porzione dello spettro sonoro e ricondurlo ben al disotto della soglia del danno fisico. Tutto ciò crea un ambiente più tranquillo, sicuro e più rilassante da usufruire nelle ore di volo. Inoltre l’abbattimento attivo in dB ottenuto potrebbe rendere il circuito e le cuffie realizzate utilizzabili come DPI a norma di legge (se sottoposte a test certificativo).



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14. CONSIDERAZIONI, POSSIBILI IMPIEGHI E EVOLUZIONE TECNOLOGICA

Visto il costo irrisorio del circuito realizzato è possibile ipotizzare l’evoluzione tecnologica del circuito stesso attraverso la

digitalizzazione, la miniaturizzazione e l’inserimento di sensori e funzioni aggiuntive ed integrate.

Di pari passo con l’evoluzione del circuito è ipotizzabile che la tecnologia ANR possa prendere due direzioni: quella HIGH-END

dell’impiego professionale, aerospaziale, militare; e quella LOW-END per l’impiego commerciale.

CONCLUSIONS in English Language

I'm a musician and often when I'm playing or working on computer I'm disturbed by homehold noises. These headsets can reduce the noise with the use of a particular circuit that takes the signal (noise) from a microphone. The signal pass through an operational amplifier (contain two operational): it is inverted by phase, mixed with an external signal

(music input) and amplified. The result is the creation of an signal opposite at the initial noise e then the “silence”. Test results shows: An average reduction of about 20 dB and a reduction peak of more than 30 dB. The analysis indicates well what levels and what spectrum of noise the pilots are exposed to. Low-frequency decibel components are not effectively removed from a traditional passive headphone. Active Noise Reduction is specifically designed to reduce this portion of the spectrum and bring it back below the threshold of physical damage. All this creates a quieter, more secure and more relaxing environment to take advantage of during flight hours. In addition, the dB active damping can make the circuit and the headphones realized as PPE(DPI) according to laws (if tested).

cuffie a riduzione attiva del rumore · tesina esami di stato 5 at elettronica -2017 zambra oscar...

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