Una delle mie applicazioni professionali principali è quella della progettazione e della caratterizzazione dei sistemi audio.
La passione per i sistemi audio ha radici lontane, già da studente liceale e nei primi anni di studi universitari.
Il mio riferimento è stato da principio il mondo anglosassome, dove l'ingegneria audio ha un ruolo di rilievo e, in questo contesto, un esempio per me importante è stato l'ingegnere John Pierce.
L'ingegneria audio si rivela nella sua multidisciplinarità un campo applicativo molto interessante, che obbliga ad avere competenze multiple, partendo dall'acustica, in tutte le varianti, passando attraverso l'elettronica e le telecomunicazioni, giungendo all'elettroacustica.

Acustica

Non si può essere buoni progettisti di sistemi audio, se non si conosce in modo chiaro e corretto l'acustica e, in particolare, l'acustica fisica, nota anche come acustica ondulatoria.

Acustica fisica

Qui entriamo in un tipico argomento di Fisica matematica , partendo dall'equazione delle onde acustiche.
Ed è proprio in questo contesto, in cui si studiano le oscillazioni, le vibrazioni e le onde, di qualsiasi forma, che si devono chiarire i fenomeni di propagazione diretta, della riflessione e della rifrazione, e soprattutto i fenomeni di interferenza e diffrazione.
E non bisgna dimenticare i fenomeni di assorbimento e trasmissione, sia in mezzi propagativi fluidi che in mezzi di propagazione solidi.
Nello studio dell'acustica ondulatoria può essere concettualmente importante procedere con uno studio comparativo rispetto alla teoria ondulatoria elettromagnetica.
Ma, al di là degli approcci comparativi, nell'acustica ondulatoria è importante avere dimestichezza con l'analisi temporale e con l'analisi spettrale, ovvero con l'analisi di Fourier, sia nel dominio delle frequenze temporali sia nel dominio delle frequenze spaziali.

Acustica geometrica

Sotto precise condizioni, l'acustica ondulatoria può essere approssimata, giungendo ad uno strumento teorico come l'acustica geometrica, in cui si introduce il raggio acustico.
In questo contesto, si riprendono i fenomeni di propagazione diretta, di assorbimento, di trasmissione, di rifrazione e di riflessione, come accade nell'ottica geometrica, con descrizioni semplificate rispetto all'acustica ondulatoria.

Acustica edilizia

Una delle applicazioni ingegneristiche dell'acustica è nell'edilizia, cercando di applicare criteri costruttivi, che conducono al comfort acustico delle nostre abitazioni e degli edifici, in generale.
E qui è importante avere una buona conoscenza delle proprietà acustiche dei materiali utilizzati nell'edilizia, facendo attenzione alle caratteristiche di trasmissione, di riflessione e di assorbimento acustico.
Ed è anche importante essere consapevoli che la scelta dei materiali nell'edilizia deve avvenire attraverso un compromesso tra proprietà meccaniche, termotecniche ed acustiche.
Infatti, accade spesso che i materiali utilizzati nell'edilizia siano scelti attraverso specifiche tecniche termotecniche, che hanno la priorità sulle caratteristiche acustiche.

Acustica ambientale

Soprattutto in ambiente cittadino, il nostro sistema uditivo è sottoposto a stress acustico, a causa del cosiddetto inquinamento acustico.
Il livello di pressione acustica per rumore ambientale è sottoposto a controlli e a vincoli, in base alla zonizzazione acustica: i territori comunali sono suddivisi in aree, in cui sono tollerati diversi livelli di rumore acustico, in base alla tipologia di area abitata (area residenziale, area industriale, area commerciale).
In acustica ambientale, si procede con opportune misure di campo e relativa elaborazione statistica.

Acustica musicale

Ecco un microcosmo acustico interessantissimo: l'acustica musicale!
La musica, con le scale musicale, con gli aspetti costruttivi degli strumenti musicali, è un territorio formidabile di applicazioni della teoria acustica.
Lo studio delle scale musicali ci riconduce ad aspetti storici, legati alla Grecia antica, in particolare a Pitagora, ma anche ad aspetti etnomusicologici, di antropologia comparata, che ci porta agli approfondimenti in Etnomusicologia .
Ma l'acustica musicale è anche una guida per comprendere in modo critico le capacità artigianali della Liuteria .

Psicoacustica

L'acustica, senza la conoscenza di psicoacustica, avrebbe un sapore di incompletezza, che non ci permetterebbe di comprendere a fondo i problemi, che si incontrano nella progettazione di sistemi audio.
Prima di tutto, bisogna avere una discreta conoscenza di fisiologia e di neurofisiologa del sistema uditivo umano; può essere interessante anche fare uno studio comparativo tra i diversi sistemi uditivi nel mondo animale.
Nello studio del sistema uditivo umano gioca un ruolo fondamentale il lavoro del fisiologo Hermann von Helmholtz, alla metà del XIX secolo.
Ma, dobbiamo completare il quadro della psicoacustica, proprio considerando gli effetti psicologici degli stimoli uditivi.
E le cose da scoprire sono ancora tante nello psicoacustica, non limitandosi ad un approccio puramente statistico, ma cercando di collegare gli aspetti psicoacustici allo studio della neurofisiologia nelle Scienze mediche ed alla teoria del protomentale, introdotta in Scienze cognitive e psicologia .

Elettroacustica

Forti delle conoscenze di acustica, si può entrare nell'universo dell'elettroacustica, in cui bisogna avere dimestichezza con i trasduttori, elementi ingegneristici fondamentali per una corretta progettazione e costruzione.
Infatti, in un sistema audio, in alcuni degli anelli della catena complessiva devono essere presenti dei trasduttori.
Per esempio, un microfono presenta una sequenza di trasduzioni: una trasduzione da segnale acustico a segnale meccanico ed una trasduzione da segnale meccanico a segnale elettrico.
In un diffusore elettroacustico, la sequenza di trasduzione è inversa rispetto a quanto accade per un microfono, ma dal punto di vista sistemistico i concetti non variano.
Pensando in modo sistemistico, i trasduttori consentono di arrivare ad un segnale elettrico, che viene condizionato ed elaborato in base alle competenze ingegneristiche di Sistemi di telecomunicazione , di Elettronica e di teoria dei circuiti.
Con tutto questo voglio dire che l'elettroacustica è una scienza multidisciplinare, in cui diversi temi ingegneristici e scientifici si intrecciano e si fondono.

Elettronica, telecomunicazioni e informatica per i sistemi audio

Già accennando all'elettroacustica, si è visto che l'elettronica entra in gioco.
Ed è proprio così: nell'audio professionale la multidisciplinarità è una caratteristica imprescindibile e le scienze ingegneristiche scendono in campo al completo.
E non solo le competenze elettroniche sono importanti (per esempio, le competenze in progettazione di amplificatori, oscillatori, analizzatori di spettro): anche le telecomunicazioni possono giocare un ruolo importante, traendo spunti applicativi, per esempio, dall'analisi e dalla sintesi di antenne.
Ma le scienze dell'ingegneria dell'informazione non si fermano qui e proseguono anche con l'utilizzo di strumenti software, sia per la presenza di processori embedded sia per l'utilizzo di applicazioni software CAD (Computer Aided Design), come i simulatori acustici.

La progettazione

Per quale motivo ho introdotto l'acustica, la psicoacustica, alcuni accenni di elettronica, di telecomunicazioni e di informatica?
La risposta è semplice: questi sono i presupposti per arrivare in modo competente ed efficiente alla progettazione di sistemi audio.
E, in ogni modo, anche per la progettazione di sistemi audio, valgono i principi metodologici della System engineering .

Sistemi versus dispositivi

Prima di arrivare alla progettazione di un sistema audio, bisogna avere dimestichezza tecnica e progettistica con i singoli dispositivi, che costituiscono gli anelli della catena audio.
Ed anche se, per padroneggiare il singolo dispositivo, bisogna avere un approccio sistemistico, bisogna avere un buon grado di dettaglio per il singolo dispositivo (microfoni, cavi elettrici, mixer, etc), avendo la capacità di leggere criticamente i dati di targa (tutti i dati di targa).
Infatti, per avere un sistema audio "performante", affidabile e sicuro bisogna combinare in modo equilibrato e corretto i diversi dispositivi, rispettando le funzionalità e le relazioni tra dispositivi.

Simulazioni acustiche

Come esistono strumenti CAD (Computer Aided Design - Progettazione Assistita dal Computer) per l'ingegneria meccanica e per l'ingegneria civile, così esistono strumenti CAD per la progettazione di sistemi audio, concentrando l'attenzione sugli aspetti acustici.
E infatti esistono i simulatori acustici, in cui si modellizza in termini acustici l'ambiente e si selezionano le sorgenti sonore, anch'esse caratterizzate acusticamente attraverso i diagrammi polari e i balloons.
Esistono diversi simulatori in commercio, di diversa qualità e di diverse caratteristiche. Non mi concentrerò su uno o l'altro simulatore, ma voglio semplicemente sottolineare le differenze sostanziali a livello algoritmico, ovvero è bene sottolineare che la qualità e l'attendibilità di un simulatore acustico dipende proprio dall'algorimo implementato per calcolare il campo sonoro.
Algoritmicamente, si può distinguere in due grandi famiglie di simulatori: i simulatori con calcolo in ampiezza (in potenza) e i simulatori con calcolo in ampiezza e fase.
E questo mi porta a concludere con un monito: i simulatori acustici non sono semplici strumenti grafici ad uso commerciale, ma devono essere utilizzati con competenza come strumenti progettistici, utili per guidare il progettista a scelte di sistema.

Modelli sperimentali e misurazioni

Una sorgente sonora, in particolare un diffusore elettroacustico, può essere modellizzata in modo teorico oppure in modo sperimentale.
Quale dei due modelli scegliere?
Quando la fisica del problema è piuttosto complessa e di difficile modellizzazione, se non con forti approssimazioni, è bene ricorrere a modelli sperimentali, che presuppongono delle misurazioni. E in questo caso le misurazioni devono essere particolarmente accurate e devono essere elaborate con consapevolezza.
Come si accennava nel contesto delle simulazioni acustiche, i diffusori elettroacustici vengono inseriti nelle simulazioni attraverso i relativi modelli sperimentali di direttività, secondo opportuni formati standard.
E questo argomento verrà ripreso nella "Ricerca applicata" qui di seguito nella "Caratterizzazione acustica delle sorgenti sonore".

Ricerca applicata

Già dal periodo accademico ho iniziato il mio lavoro di ricerca applicata, concentrando lo studio sulla localizzazione delle sorgenti sonore.
E proprio le sorgenti sonore, come i diffusori elettroacustici, sono state oggetto di ricerca applicata, come ingegnere R&S in ambito industriale, affrontando problemi di misurazione acustica ed elettroacustica ed elaborazione dei dati, per arrivare alla caratterizzazione delle sorgenti elettroacustiche.

Localizzazione delle sorgenti sonore

Questo è un argomento che include multidisciplinarità, comprendendo aspetti di acustica, di teoria delle antenne, di fisiologia e di psicologia del sistema uditivo, sconfinando in algoritmi di intelligenza artificiale.
Il sistema hw/sw realizzato include un array microfonico, che capta le onde sonore generate dalle sorgenti acustiche. I segnali audio provenienti dai microfoni vengo elaborati da un sistema sw, che genera una mappa sonora, in modo simile alle camere termografiche.
Esistono diversi algoritmi per la localizzazione di sorgenti acustiche: in particolare è stato sviluppato l'algoritmo di beamforming.

Caratterizzazione acustica delle sorgenti sonore: i diffusori elettroacustici

Ogni sorgente acustica ha proprietà direttive di emissione dell'energia, come accade per qualsiasi sorgente di campo.
Tali proprietà direttive possono essere caratterizzate in modo rigoroso, attraverso opportune misurazioni elettroacustiche e successive elaborazioni dei dati grezzi, per giungere alla creazione dei diagrammi di direttività, sia quelli bidimensionali (polar-patterns) sia quelli tridimensionali (balloons).
Questa è stata una attività di ricerca applicata, svolta in passato in ambito industriale ed ora come ricerca personale.
Su questo tema sto sviluppando una pubblicazione: è un libro, sospeso tra un saggio tecnico-scientifico ed un manuale tecnico.
In anteprima si può leggere l'indice generale e la presentazione di "La caratterizzazione acustica dei diffusori elettroacustici".

I simulatori acustici

Altro tema di sviluppo è costituito dai simulatori acustici, sia come analisi e utilizzo professionale dei simulatori in commercio sia come progettazione e realizzazione di simulatori acustici prototipo.
Ma questi due filoni di sviluppo e ricerca sono strettamente collegati, per comprendere il cuore delle simulazioni, ovvero gli algoritmi di calcolo ed i motori grafici.

Fonetica

Nella progettazione di sistemi audio si può fare una classificazione generale, distinguendo tra segnali musicali e segnali vocali.
E nel caso dei segnali vocali si parla di intelligibilità, per identificare un parametro delle prestazioni di un sistema audio in applicazioni, in cui sono presenti segnali vocali (chiese, conferenze, etc).
Ed in questo caso occorrono conoscenze critiche di fonetica, utilizzando anche le mie competenze acquisite in approfondimenti di fisiologia, di psicologia e in campo artistico.
Ma al di là delle implicazioni psicoanalitiche ed artistiche, gli studi di fonetica mi hanno anche condotto a ricerca applicata tra Scienze cognitive e Intelligenza artificiale , affrontando il tema del riconoscimento vocale.