Altoparlanti direzionali

Non è una novità, ma navigando in Internet alla ricerca di microfoni direzionali sono capitato su di un sito che ritengo molto interessante. Questo mi ha dato lo spunto per descrivere un sistema di diffusione sonora che forse non molti conoscono.

Si tratta infatti di un particolare diffusore che sfruttando gli ultrasuoni generati in una particolare gamma di frequenze è in grado di produrre un suono nel campo dell'udibile con elevata direzionalità.

Il suo funzionamento può essere immaginato come una luce prodotta da una torcia elettrica al buio, in un ambinete fumoso. In questo modo è possibile vedere il cono di luce prodotto dalla torcia elettrica, è così che si propagano le onde sonore generate da questi trasduttori.

Questo innovativo sistema sfrutta le caratteristiche direzionali degli ultrasuoni similmente al suono prodotto dai pipistrelli che utilizzano gli ultrasuoni come un radar. Proprio grazie alla particolare direzionalità di queste frequenze, i pipistrelli sono in grado di determinare la posizione dell'oggetto grazie all'eco riflesso.

Per cercare di comprendere il principio fisico di funzionamento di questo particolare diffusore ho effettuato delle ricerche.

A seconda del tipo di mezzo in cui si muove il suono si propaga con velocità differenti. Ad esempio, nell'aria il suono viaggia alla velocità di circa 340 metri al secondo, mentre nell'acqua la sua velocità sale a 1500m/s, nell'acciaio si propaga a 5000m/s.

Il suono è la variazione di pressione percepita dall’orecchio. Gli elementi che contraddistinguono il suono sono due; l'intensità e la frequenza. L'intensità si misura in dB (decibel) la frequenza in Hz (hertz) In una persona giovane la gamma udibile va dai 20Hz ai 20000Hz. Normalmente, a parte casi eccezionali, con l'invecchiamento questi valori tendono a ridursi; non solo riducendo la gamma di ampiezza delle frequenze ricevute ma anche la sensibilità.

Le variazioni di pressione sonora si misurano, come la pressione atmosferica in Pascal (Pa) o micro Pascal (ųPa).
Le pressioni sonore udibili sono molto piccole, comprese tra i 20 ųPa (pari a 20x10-6 Pa) e 100Pa.
Il valore di 20 ųPa corrisponde alla soglia di un udito normale. Una pressione sonora 1 milione di volte più forte della soglia uditiva (100Pa) è tale da provocare dolore (soglia del dolore).

Dal momento che la variazione tra il minimo udibile ed il massimo sopportabile comprende valori dell'ordine di milioni di Pascal, per semplificare, si utilizza una misurazione di tipo logaritmico espresso in dB.

In questo modo il minimo udibile è di 0dB, circa 20 ųPa, mentre la soglia di dolore (100Pa) corrisponde a 130dB.

Normalmente si raddoppia l'intensità ogni 6dB di aumento. E' bene evidenziare che per comprendere un aumento dell'intensità sonora è richiesto un incremento di almeno 8-10dB, prima che il suono sia percepito oggettivamente più forte.

Un'altra caratteristica interessante è che due fonti sonore di 10 dB ciascuna, generate ad uguale distanza dall'ascoltatore, producono una pressione sonora udibile del doppio più circa 3dB. Questo mi ha fatto comprendere il perchè nei concerti vengono affiancati molti diffusori, per aumentare la pressione sonora sfruttando questo principio.

L'orecchio umano non è adatto a ricevere gli ultrasuoni che risiedono in gamme di frequenze molto più elevate della normale gamma dell'udibile.

Sono considerati ultrasuoni le frequenze superiore ai 20kHz.
Queste gamme di ultrasuoni vengono suddivise in: "Animali e chimiche", "Gamme mediche o distruttive", "Distruttive e diagnostiche".

Gli ultrasuoni vengono definiti anche come onde meccaniche sonore. Questa loro caratteristica è utilizzata per far vibrare particolari mezzi di trasporto.  ad esempio dei liquidi, esse hanno la capacità di disgregare le molecole.

Gli ultrasuoni vengono impiegati svariate applicazioni, ad esempio per la pulizia o la lucidatura di materiali. In altri casi queste vibrazioni emesse ad elevate frequenze possono servire per saldare materie plastiche o rilevare movimento e/o velocità grazie al principio dell'effetto doppler. Uno degli utilizzi più comuni degli ultrasuoni è il vaporizzatore/umidificatore.

Per la costruzione dei trasduttori (altoparlanti), vengono utilizzati dei materiali piezoceramici, di quarzo, ceramica od altri materiali con simili caratteristiche.
Utilizzando materiali meno rigidi, questi anziché riprodurre le alte frequenze le assorbono senza generare alcun suono.

Il suono può essere considerato come una successione di compressioni e rarefazioni delle molecole che compongono il mezzo di trasporto. Le regioni di compressione sono sempre accompagnate da regioni di rarefazione e viceversa.

Nel loro tragitto gli ultrasuoni colpiscono e mettono in agitazione le molecole d'aria facendole vibrare, entrano in risonanza e vibrano ma con frequenze più basse.

Sulla base di queste informazioni ho compreso il funzionamento di questi sistemi di diffusione direzionali.

E' proprio questa particolare caratteristica cioè quella di far vibrare le molecole d'aria (in questo caso) a produrre il suono.

Il sistema richiede però che la frequenza di emissione del suono sia maggiore di quella che dovrà essere percepita dall'ascoltatore, infatti le molecole d'aria vibrano ma con una frequenza inferiore.

Quindi se volessimo far ascoltare un suono a 1000Hz dovremmo far riprodurre al diffusore (ad esempio) una frequenza di 1500Hz.

Questi sistemi direzionali vengono utilizzati sia in ambito militare che civile.

Militare/Polizia:

- La polizia lo utilizza per diradare raggruppamenti non autorizzati di persone
- in marina vengono usati per inoltrare avvisi vocali alle imbarcazioni ostili a distanza (Guardia Marina)
- i militari lo utilizzano per disorientare il nemico a distanze sino a 2Km con una pressione acustica di oltre 150dB

 

 

 

 

 

 

 Civile:

- altoparlanti direzionali per negozi o centri commerciali (visione ed ascolto di programmi radio o televisivi personali
- centri culturali o biblioteche per ascolto di musica o comunicati senza disturbare i vicini

Alcuni link:
http://www.lradx.com
http://www.directional-sound.com

Ivano - IK2RLM