Controllo della direttività di array di sorgenti acustiche tramite controllo digitale del segnale audio

This work studies the particular class of audio systems for the sound diffusion. Through the digital processing of the audio signal, a line array of loudspeakers is able to steer and control the width of the generated beam. Also known as digital steerable line array or column array loudspeakers, they show all the potential in acoustically difficult environments such as places of worship, auditoriums, theaters, airports, railway stations, etc. In this spaces the natural reverberation, sometimes very high, causes a strong deterioration in the perceived sound quality and a poor speech intelligibility. Controlling the directivity of the source has the advantage of directing the sound energy in specific listening areas, thus avoiding hitting the walls or acoustically highly reflective surfaces, which should increase the energy of the reverberant field. Outline s.r.l. is the company where this work has been done. It is a world leader in the field of sound systems with assets of many patents and has won several Awards for Product Innovation and Design Excellence. The thesis work was carried out at Outline’s laboratories in Flero (BS), from May 2011 to November of that year. The thesis is organized as follows: The first chapter describes the operating principles of the linear array of acoustic sources, the features and benefits that can be derived from the control of the directivity and describes some current state of the art on the market. In the second chapter is proved the validity of a simulator, already available and developed in a previous thesis at the same company, to control the directivity of these systems. Experimental measurements are performed on a prototype system (Speaker Array 12 or SA12) and is discussed a comparison between the results achieved. The third chapter presents the research conducted during the stage period, in order to offer optimal solutions for a subsequent design and implementation of such systems. In particular a method based on the algorithm of least squares has been proposed, used to calculate the coefficients to be applied to the filters and a type of graphic representation is developed, based on the characteristics of the place where the system is installed, said index point; simulations of systems are performed with transducers different in number and size, two-way systems (one for high frequencies and one for the medium-low) and the piloting of more transducers with the same audio signal has been simulated. The fourth chapter describes the development of a graphical interface in Matlab, called Speaker Array Simulator to simulate, in a fast way, the response of a system in different configurations. The existing mathematical algorithm and studies described in the third chapter are here united and made available for simulations. Finally there are the conclusions of the work and proposals for future developments.

Il presente lavoro di tesi riguarda una particolare classe di sistemi per la diffusione audio: array lineari di sorgenti acustiche che, attraverso l’elaborazione digitale del segnale audio applicato, permettono il controllo dell’inclinazione e dell’apertura del fascio sonoro generato. Noti anche come digital steerable line array o column array loudspeaker, essi mostrano tutta la loro potenzialità in ambienti acusticamente difficili come luoghi di culto, auditorium, teatri, aeroporti, stazioni ferroviarie, etc. In questi spazi la riverberazione naturale, a volte molto elevata, causa un forte deterioramento della qualità dell'audio percepita e una scarsa intelligibilità del parlato. Disporre di una sorgente con una direttività controllabile offre il vantaggio di direzionare l’energia sonora in precise aree di ascolto, evitando quindi di colpire superfici o pareti acusticamente molto riflettenti che andrebbero ad alimentare l’intensità del campo riverberante. L'azienda che ha offerto questo lavoro di ricerca è Outline s.r.l., leader a livello mondiale nel settore degli impianti di sonorizzazione, con all’attivo molti brevetti e diversi Award vinti per la Product Innovation e il Design Excellence. Il lavoro di tesi è stato svolto presso i laboratori di Outline a Flero (BS), da maggio 2011 a novembre dello stesso anno. La tesi è organizzata come di seguito indicato: Nel primo capitolo vengono descritti i principi di funzionamento degli array lineari di sorgenti acustiche, le caratteristiche e i benefici che derivano dal controllo della direttività e sono illustrati alcuni sistemi attualmente allo stato dell’arte e presenti sul mercato. Nel secondo capitolo viene provata la validità di un simulatore, già disponibile e sviluppato in un precedente lavoro di tesi presso la stessa azienda, per il controllo della direttività di questi sistemi. Vengono effettuate misurazioni sperimentali su un sistema prototipo (Speaker Array 12 o SA12) e viene discusso il confronto tra i risultati conseguiti. Nel terzo capitolo si presentano le ricerche effettuate durante il periodo di stage, al fine di offrire soluzioni ottime per una successiva progettazione e realizzazione di tali sistemi. In particolare si propone un metodo basato sull’algoritmo dei least squares per il calcolo dei coefficienti da applicare ai filtri e si elabora un tipo di rappresentazione grafica basato sulle caratteristiche del luogo in cui il sistema è installato, detta index point; si realizzano simulazioni di sistemi con trasduttori diversi per numero e dimensioni, sistemi a due vie (una per le alte frequenze e una per le medio-basse) e si simula il pilotaggio di più trasduttori con lo stesso segnale audio. Nel quarto capitolo viene descritto lo sviluppo di un’interfaccia grafica in MatLab, chiamata Speaker Array Simulator, per simulare in modo veloce la risposta di un sistema in diverse configurazioni. L’algoritmo matematico già esistente e gli studi esposti al capitolo terzo sono qui uniti e resi disponibili per le simulazioni. Infine si trovano le conclusioni del lavoro svolto e le proposte per eventuali sviluppi futuri.