Sezione 1: I principi basilari della riduzione attiva del rumore
Un buon punto di partenza è costituito da una delle più frequenti domande dei piloti: "Le cuffie "attive" funzionano tutte allo stesso modo?" La risposta è un semplice "sì" ... ed un più dettagliato "no". La risposta affermativa si riferisce al fatto che il principio della cancellazione additiva, attuata mediante un suono in contro-fase, è vecchia di decenni ed è tuttora fondamentale nel funzionamento di tutti i sistemi attivi sul rumore in aeronautica. Ci occupiamo inizialmente di questo aspetto.
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 differente e più gradevole di quella originaria. Ma questa non è ovviamente una "cancellazione" e non è quanto fa una cuffia a cancellazione attiva.
La cancellazione attiva comporta l"addizione" di onde sonore ... un sistema in cui un'onda si mescola con un'altra attutendone l'energia.
Questa discussione 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. E' importante comprendere i principi fisici di quanto avviene, poiché non si tratta di un risultato semplice da ottenere. Come si vedrà, particolarmente quando si arriva ad elevati livelli di cancellazione, la necessità di precisione in ogni aspetto del progetto risulta fondamentale per l'idoneità del funzionamento.
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.
I limiti dell'entità di cancellazione ottenibile
Per ottenere una cancellazione efficace, il profilo del segnale invertito deve cadere all'interno dello spettro del rumore esitente. A bassi livelli di cancellazione, questo risultato è relativamente semplice da ottenere, ma più si cerca di cancellare e più è difficile ottenere un risultato valido. Se il segnale di cancellazione risulta eccessivamente amplificato od in qualche modo distorto, il nuovo segnale cadrà parzialmente al di fuori del profilo del rumore di base, potrà quindi essere percepito come una "ulteriore" componente rumorosa! Inoltre, può insorgere una situazione di "feedback" (oscillazione o sibilo), qualora la fase ed il guadagno dell'anti-rumore non siano gestiti con attenzione.
Questo è quanto limita la quantità di cancellazione che una cuffia può fornire, cioè quello che i tecnici definiscono il "guadagno" del sistema. Questo guadagno deve essere attentamente tarato per assicurarsi che il sistema abbia una buona "stabilità", in altre parole che fornisca prestazioni costanti e non oscilli.
Ottenere prestazioni costanti ad elevati livelli di cancellazione non è cosa da poco, specialmente quando entrano in gioco le variabili dell'anatomia dell'orecchio esterno, dei diamtri del capo, della conformazione della coppa auricolare, ecc. Tutto ciò concorre a far sì che la risposta alla domanda "Le cuffie "attive" funzionano tutte allo stesso modo?" sia un cortese ma documentato diniego.
Che cosa influisce sulle qualità della cancellazione attiva del rumore?
Abbiamo già visto quanto qualsiasi sistema di cancellazione attiva del rumore necessiti di tre componenti di base:
un microfono che capti il rumore
un processore elettronico del segnale
un altoparlante anti-rumore
L'accuratezza del microfono che capta il rumore
Tanto per cominciare, se si vuole ottenere una cancellazione efficace, è necessario captare nel modo più accurato possibile il rumore all'interno della coppa auricolare. Quando parliamo di accuratezza, entrano in causa due fattori diversi:
Sensibilità e fedeltà: ovvero la qualità di come il microfono riproduce il suono che capta.
Correlazione: ovvero quanto il suono captato dal microfono corrisponda realmente a quello percepito dall'orecchio.
Il primo fattore (sensibilità e fedeltà) è importante, ma è un problema facile da risolvere perché esistono molti microfoni di buona qualità disponibili per essere utilizzati dai produttori. Il secondo fattore (correlazione) è invece la parte più difficile, se si vogliono inserire delle buone informazioni nel sistema di cancellazione. In poche parole, un sistema ideale dovrebbe cancellare il rumore esattamente all'interno del canale uditivo esterno, non a livello di un microfono piazzato in qualche posto della coppa auricolare della cuffia. Se ovviamente non è possibile infilare un microfono all'interno dell'orecchio, una cuffia ben progettata può avvicinarsi all'assicurare che quanto captato dal microfono sia molto simile a quanto percepito dall'orecchio. Per ottenere un buon risultato, è importante conoscere alcuni dettagli sull'apertura dell'orecchio e sulla cavità acustica di cui ci stiamo occupando.
Esiste una coppa "sinistra" ed una coppa "destra" della cuffia? Benché i padiglioni auricolari siano delle forme e delle misure più svariate, è statisticamente dimostrato quanto l'apertura (ovvero il meato acustico esterno) non sia simmetricamente "centrato" con la coppa ... è infatti spostato in avanti ed in basso rispetto al centro. La posizione del microfono deve adattarsi all'anatomia umana per fornire prestazioni ottimali. Pertanto, prestazioni ottimali si otterrebbero solo se le coppe auricolari fossero realizzate "su misura", per adattarsi a padiglioni auricolari specifici (destri e sinistri). Si noti nel diagramma quanto le coppe siano inclinate e conformate per adattarsi meglio alle orecchie e quanto le staffe che reggono il microfono e l'altoparlante attivo siano ulteriormente angolate, per seguire meglio il profilo del padiglione nella coppa. L'attenzione prestata a questi dettagli ergonomici ed acustici migliora sostanzialmente sia la comodità che le prestazioni. (E' interessante notare quanto oggi molti produttori segnalino questa importante caratteristica nella documentazione tecnica, ovvero che, anche se possibile, le cuffie non devono essere mai indossate al contrario!)
Qual è la posizione del microfono relativamente all'altoparlante ed al meato acustico? La posizione del microfono è assolutamente condizionata dagli effetti che l'altoparlante attivo (driver) può esercitare su di esso. Se il microfono è direttamente sopra od accanto al driver, si otterrà un ciclo di cancellazione stabile e chiuso (probabilmente con buoni risultati) ma la cancellazione sarà sensibilmente inferiore a livello del meato acustico esterno! Molti dei dati di cancellazione "affermati" sulle pubblicità e sui documenti tecnici sono misurati al microfono ... non all'apertura dell'orecchio. Ovviamente cosa si desidera è la maggiore cancellazione possibile all'interno dell'orecchio. Allora, senza scendere troppo nei dettagli tecnici, la posizione del microfono è la chiave del livello di cancellazione che si riuscirà ad ottenere. Questi non sono solo teoria e principi di acustica ... si può davvero percepire una differenza se nel corso della realizzazione della cuffia si è prestata attenzione a questi dettagli. Alla fine dei conti, non resta che confrontare diverse cuffie a riduzione attiva del rumore, provandole all'interno del proprio aeroplano!
La complessità del processore elettronico del segnale
Il segnale del microfono è avviato all'interno del circuito, dove viene amplificato ed "elaborato". Vi sarà una sostanziale differenza nella cancellazione fornita, a seconda del disegno della cavità acustica, della posizione del microfono e dei livelli di guadagno che il sistema potrà offrire. La prestazione effettiva può essere misurata e riportata in un grafico per confronto. Un simile profilo di prestazione, relativo a a diverse cuffie, è riportato in questo grafico.
Si noti che il grafico riporta la frequenza e l'entità (espressa in decibel) della cancellazione. Le cuffie attualmente presenti sul mercato mostrano variazioni significative nell'efficacia di cancellazione. Ci occuperemo di questo grafico e di altri simili in maggior dettaglio nella seconda sezione di questa dispensa ... in modo che si possa iniziare a poter giudicare obiettivamente la comparazione delle prestazioni.
La complessità dei circuiti elettronici, degli amplificatori e dei filtri audio influisce notevolmente sulle prestazioni globali della cuffia. Le differenze possono essere percepite non solo nell'efficacia della cancellazione: il modo in cui il segnale audio viene elaborato influirà su quanto arriva realmente all'orecchio. Ad esempio:
Le comunicazioni audio ... ovvero ciò che proviene dalla radio e dall'interfono. I sistemi più semplici di riduzione attiva del rumore elaborano questi segnali insieme al rumore ambientale. Il risultato è che la componente in basse frequenze delle comunicazioni audio e radio vengano cancellate assieme al rumore. Questo causa il degradamento della risposta in frequenza, che risulta metallica ed innaturale. I sistemi più sofisticati elaborano separatamente il segnale ed il rumore di fondo, permettendo una fedele riproduzione dei segnali audio.
Il rapporto tra segnale e rumore ... ovvero quello che si desidera migliorare con i sistemi di riduzione attiva. Tutti i sistemi forniscono forniscono quantomeno un modesto miglioramento del rapporto segnale/rumore, nel momento in cui vengono ridotti i disturbi dovuti ad un forte rumore a bassa frequenza. Sistemi più sofisticati amplificano i livelli del segnale per migliorarne l'intelligibilità, producendo comunicazioni più chiare ... particolarmente per coloro che sono già portatori di un certo deficit uditivo.
Questi sono entrambe esempi tangibili di reali differenze fra diverse cuffie a riduzione attiva di rumore. Si ricordi che ... "sentire" significa "poter capire"!
L'efficacia dell'altoparlante
Dopo aver captato il rumore ambientale all'interno della coppa auricolare (si spera in modo ben correlato all'apertura dell'orecchio) ed aver elaborato il segnale con adeguata fedeltà, il sistema deve produrre le "onde" sonore di cancellazione in modo efficace ed efficiente.
L'efficacia dell'altoparlante dovrebbe essere valutata in base a quanto il profilo d'onda prodotta segua il segnale captato dal microfono. Le lunghe "onde" a bassa frequenza sono le più critiche per la cancellazione del rumore tra 50 e 300 Hz, che è prevalente negli aerei con motori a pistoni. Una maggiore efficacia si traduce in una migliore cancellazione delle basse frequenze. Essendo la maggior parte dei decibel prodotti sugli aeroplani tra gli 80 ed i 120 Hz, c'è bisogno di cuffie che diano il meglio di sé appunto in quella parte dello spettro sonoro. Di questo si tratterà nelle sezioni successive.
L"efficienza" dell'altoparlante si valuta in base all'energia richiesta per muovere avanti ed indietro la membrana per creare le "onde" di suono ... maggiore è l'energia necessaria per generare le onde, minore è l'efficienza. Siccome la maggioranza delle cuffie attive oggi in vendita è costituita da modelli portatili alimentati a batteria, l'efficienza dell'altoparlante è un elemento da tenere bene in considerazione. Una maggiore efficienza significa un minor consumo di energia, una maggior durata ed un minor volume delle batterie.
Molti piloti sono scoraggiati dal volume e dall'impaccio degli alimentatori esterni associati alle cuffie attive. Alcune delle cuffie in produzione sono munite di voluminosi alimentatori connessi a cavi separati, mentre altre hanno moduli d'alimentazione più piccoli, in linea con la connessione audio/phono. Altre cuffie (Pilot Avionics) utilizzano una batteria ricaricabile che si trova all'interno di una delle due coppe auricolari, pertanto non hanno bisogno di alcuna alimentazione esterna. Per ottenere un funzionamento maggiore di 30 ore, alcuni sistemi necessitano della carica di ben dieci batterie stilo, altri solo di due! Questa è una differenza considerevole e merita di essere valutata prima dell'acquisto di un apparato.
Qual è la differenza fra cancellazione analogica e digitale?
Prima di concludere questa sezione, merita accennare ad un nuovo tipo di tecnica di cancellazione che è recentemente apparso sul mercato, ovvero la cancellazione digitale. Mentre gli elementi di captazione e riproduzione del segnale sono immodificati, diverso è il modo in cui il segnale stesso viene "elaborato".
I sistemi analogici re-inseriscono lo spettro completo che è stato captato con una fase inversa rispetto all'originale. I sistemi digitali, invece, campionano il rumore, lo analizzano, ne valutano il livello e quindi inseriscono una o più frequenze in grado di cancellare specifiche bande del rumore di base. Anche se non così efficace nel cancellare rumori molto complessi, questa tecnica è ottimale per cancellare frequenze specifiche ... come ad esempio la risonanza dell'elica.
Ancora un volta, la migliore ed unica via per capire realmente la resa di apparecchi diversi è quella di provarne in volo diversi modelli e quindi paragonarli tra loro.