I sistemi di sensing acustico sono composti da un mezzo di trasmissione, dispositivi (sia animati che inanimati) che interagiscono con le onde acustiche nel mezzo, e da oggetti che possono essere o i bersagli da rilevare, o elementi ambientali che influenzano la propagazione del segnale. In base alla disposizione dei microfoni e degli altoparlanti, questi sistemi possono operare in configurazioni mono-statiche, bi-statiche o multi-statiche, un concetto mutuato dai radar. Nei sistemi mono-statici, noti anche come sonar acustici, microfoni e altoparlanti sono collocati sullo stesso dispositivo e generalmente vengono alimentati dallo stesso orologio. Questi sistemi sono semplici e facili da implementare, ma presentano una portata operativa limitata, generalmente confinata alla vicinanza immediata del dispositivo.

I sistemi bi-statici, invece, utilizzano dispositivi separati per la trasmissione e la ricezione del segnale acustico, mentre i sistemi multi-statici impiegano più trasmettitori e/o ricevitori spazialmente separati. L'implementazione di sistemi bi-statici e multi-statici è più complessa, ma questi permettono di ampliare la copertura e migliorare la risoluzione spaziale quando vengono distribuiti più dispositivi. La sincronizzazione dei dispositivi può essere effettuata in modalità asincrona o tramite altre modalità di sincronizzazione. I vantaggi principali di queste configurazioni sono un'area di copertura più ampia e una risoluzione spaziale migliorata.

I sistemi di registrazione e riproduzione del suono sono rappresentati schematicamente nei diagrammi in Figura 1.2. Il sistema di registrazione converte le onde acustiche meccaniche in campioni digitali, mentre il sistema di riproduzione segue il processo inverso. In un sistema di registrazione, i segnali acustici vengono prima convertiti in segnali di tensione tramite un microfono. Un amplificatore di guadagno automatico (AGC) o un amplificatore di guadagno programmabile (PGA) amplifica i segnali di tensione per adattarli alla gamma dinamica di un convertitore analogico-digitale (ADC). Successivamente, i segnali amplificati passano attraverso un filtro passa-basso (LPF) per diventare segnali a banda limitata. Infine, i segnali vengono convertiti in campioni digitali tramite l'ADC.

Un sistema di riproduzione del suono inverte questo processo: i campioni digitali vengono prima interpolati e poi alimentati a un convertitore digitale-analogico (DAC), diventando segnali analogici. Questi segnali analogici vengono successivamente amplificati e infine trasformati in onde acustiche da un altoparlante. In alcune applicazioni, gli altoparlanti ad alta potenza sono utilizzati per operazioni a lunga distanza. I parametri più importanti per i sistemi di registrazione acustica includono la frequenza di campionamento, la risoluzione in bit e il numero di canali (o microfoni). Frequenze di campionamento elevate e risoluzioni in bit maggiori migliorano la qualità del segnale, consentendo una gamma di frequenze più ampia e una riduzione del rumore di quantizzazione. Inoltre, aumentando il numero di microfoni, si ottiene una maggiore risoluzione spaziale, permettendo una rappresentazione acustica più dettagliata.

Le attrezzature acustiche sui dispositivi di consumo, come gli smartphone, spesso presentano una risposta in frequenza non piatta. Questo fenomeno, noto come selettività in frequenza, descrive il problema in cui i segnali acustici subiscono guadagni diversi in base alla frequenza. Ad esempio, i segnali con una larghezza di banda inferiore a 8 kHz possono avere un guadagno più elevato, mentre quelli con una frequenza più alta subiscono un'attenuazione maggiore. Inoltre, l'inerzia del diaframma dell'altoparlante introduce effetti indesiderati come il ritardo di trasmissione (effetti di "ringing") o la dispersione di frequenze ("frequency leakage"). Questi effetti possono generare rumori udibili anche quando il segnale trasmesso si trova in bande inaudibili.

L'uso dei dispositivi di consumo per il sensing acustico è molto diffuso, e i dispositivi moderni sono equipaggiati con più microfoni e altoparlanti. Ad esempio, gli smartphone di ultima generazione utilizzano due altoparlanti per la riproduzione stereo e due microfoni per migliorare la qualità della registrazione. Inoltre, dispositivi come gli auricolari intelligenti sono dotati di più microfoni per migliorare la qualità del suono e permettere funzioni aggiuntive come la cancellazione del rumore. Ad esempio, gli Apple AirPods Pro hanno un microfono esterno che rileva i suoni circostanti per la cancellazione del rumore e la modalità trasparenza, mentre un microfono interno lavora insieme all'esterno per ottimizzare la qualità del suono.

La disposizione fisica dei microfoni e degli altoparlanti è una considerazione importante nella progettazione di algoritmi di sensing acustico. Le configurazioni variabili tra dispositivi, modelli e produttori influiscono notevolmente sul comportamento del sistema di acquisizione del suono. La qualità del suono può essere influenzata dalla posizione degli altoparlanti e microfoni, e da come questi dispositivi rispondono a segnali a diverse frequenze.

Il campo delle applicazioni del sensing acustico è in continua espansione. I sistemi di comunicazione acustica aerea (AAC) sono un esempio in cui le onde sonore vengono utilizzate per la trasmissione di dati attraverso l'aria, consentendo comunicazioni a basso consumo energetico, come il pairing dei dispositivi, il trasferimento di dati a corto raggio e i meccanismi di autenticazione tramite suono. Un altro esempio è rappresentato dai servizi di localizzazione che sfruttano segnali acustici per la consapevolezza spaziale, inclusi i sistemi di localizzazione indoor e la stima delle distanze. La diversità delle applicazioni acustiche, che coprono una vasta gamma di scenari e tecnologie, dimostra la versatilità di questi sistemi e la loro crescente importanza nell'evoluzione delle tecnologie quotidiane.

Come la Sensoristica Acustica può Trasformare l'Autenticazione Biometrica e l'Interazione Uomo-Computer

La sensoristica acustica offre nuove prospettive per molteplici applicazioni, dalla sicurezza biometrica all'interazione uomo-computer, risolvendo sfide che finora richiedevano attrezzature specialistiche o metodi invasivi. Un'area che ha visto sviluppi significativi è l'autenticazione biometrica, in particolare la possibilità di verificare l'identità di un individuo attraverso caratteristiche acustiche uniche. L'orecchio umano, con la sua forma distintiva e le proprietà riflettenti e assorbenti, fornisce segnali acustici unici che possono essere utilizzati per riconoscere una persona.

La tecnologia della sensoristica acustica non solo ha la capacità di rilevare queste caratteristiche specifiche, ma lo fa in modo continuo, eliminando la necessità di un'ulteriore autenticazione ogni volta che un utente interagisce con un dispositivo. Inoltre, grazie alla sua natura attiva, è in grado di effettuare il rilevamento della "vivenza", cioè di distinguere tra segnali biometrici generati da una persona viva e quelli provenienti da fonti contraffatte o registrate. Questa caratteristica la rende particolarmente utile in contesti di sicurezza avanzata, dove le tradizionali forme di autenticazione potrebbero essere vulnerabili agli attacchi con registrazioni o dispositivi falsificati.

Per quanto riguarda la salute dell'udito, la sensoristica acustica offre un potente strumento per la diagnosi precoce di disturbi uditivi e altre condizioni relative all'orecchio. Tecniche come le funzioni di trasferimento legate alla testa (HRTF) permettono di personalizzare la percezione sonora in base alle specifiche caratteristiche dell'orecchio e della testa di ciascun individuo. Queste tecniche sono fondamentali per migliorare l’esperienza di ascolto in dispositivi come gli apparecchi acustici, dove una personalizzazione adeguata può significare un miglioramento sostanziale della percezione del suono, della localizzazione spaziale e della comprensione del parlato.

La possibilità di utilizzare dispositivi di consumo come smartphone o cuffie per ottenere questi risultati è una delle innovazioni più significative nel campo. Applicazioni mobili in grado di eseguire semplici test dell'udito, come l'audiometria tonale o la valutazione della comprensione del parlato, permettono di diagnosticare in modo tempestivo i problemi uditivi direttamente da casa, abbattendo barriere geografiche e costi. In molte regioni del mondo, questa accessibilità alla salute dell'udito potrebbe fare una grande differenza, specialmente in aree rurali o in contesti con risorse limitate.

Un altro ambito che ha beneficiato della sensoristica acustica è l'interazione uomo-computer (HCI). La possibilità di usare i suoni per rilevare gesti e posizioni del corpo sta rivoluzionando il modo in cui interagiamo con la tecnologia. L'interazione basata sui gesti attraverso segnali acustici è una forma di comunicazione naturale e intuitiva che consente agli utenti di controllare dispositivi smart tramite i movimenti delle mani o del corpo. Le tecniche di riconoscimento dei gesti e di stima della posa sono ora in grado di catturare movimenti complessi e tradurli in comandi specifici, con applicazioni che spaziano dalla comprensione della lingua dei segni alla scrittura e alla navigazione in ambienti virtuali.

La stima della posa acustica, che non si limita a un insieme fisso di gesti, è particolarmente vantaggiosa in contesti di realtà aumentata o animazione, dove la capacità di tracciare e comprendere la configurazione del corpo in tempo reale è essenziale. L'acquisizione di informazioni sulla posizione e sugli angoli delle articolazioni umane attraverso il rilevamento acustico rende possibile l’interazione con ambienti virtuali in modo molto più fluido e naturale.

Il futuro della sensoristica acustica è strettamente legato all'evoluzione dell'intelligenza artificiale (IA) integrata nei sistemi fisici. L'intelligenza artificiale, con il suo crescente coinvolgimento nel mondo fisico, dipende sempre di più da tecnologie come la sensoristica acustica, che si sta affermando come uno strumento cruciale per il miglioramento dell'interazione uomo-macchina, la sicurezza e la salute.

L'integrazione dell'acustica nell'autenticazione biometrica, nell'assistenza sanitaria e nell'interazione digitale segna un punto di svolta significativo, aprendo la strada a soluzioni più sicure, personalizzate e accessibili. Mentre il campo continua a svilupparsi, nuove applicazioni saranno continuamente esplorate, con l'obiettivo di rendere questi strumenti sempre più potenti e versatili.

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