Ryan Boyle, Senior Engineer, Product Marketing, Analog Devices
Abstract
La crescente adozione di AR e VR sta spingendo i progettisti a esplorare l’audio open-ear come soluzione innovativa per la riproduzione del suono. Questo articolo illustra i casi d’uso e i vantaggi di questo nuovo fattore di forma, nonché le sfide che questo comporta. Inoltre, mette in evidenza le tecnologie che possono migliorare le prestazioni audio di questi prodotti.
Introduzione
Oggi è facile vedere auricolari e cuffie integrati in molti aspetti della nostra vita. Le persone li indossano mentre camminano, corrono, lavorano e rispondono alle telefonate. Se da un lato rappresentano un modo comodo per ascoltare musica, podcast, audiolibri e telefonate, dall’altro il fatto di escludere il mondo circostante può creare problemi, come l’impossibilità di sentire i veicoli che si avvicinano o qualcuno che cerca di attirare la vostra attenzione. In considerazione di questo, della crescente domanda di occhiali per la realtà aumentata (Augmented Reality, AR) e la realtà virtuale (Virtual Reality, VR), l’audio open-ear sta crescendo di popolarità.

Figura 1. Occhiali intelligenti con altoparlanti incorporati nelle stanghette.
Che cos’è l’Audio Open-Ear?
I dispositivi audio open-ear sono generalmente considerati prodotti personali di riproduzione audio che non bloccano o coprono le orecchie. Lasciando passare il rumore esterno, questi dispositivi consentono agli utenti di percepire l’ambiente circostante e di mantenere la consapevolezza della situazione. Occhiali da sole intelligenti, occhiali da vista e varie cuffie AR e VR incorporano già questa tecnologia. In un’applicazione tipica, i micro-altoparlanti sono montati nelle stanghette degli occhiali o nell’archetto delle cuffie e il suono è diretto verso le orecchie dall’alto.
L’ascolto a orecchio aperto presenta numerosi vantaggi. Ad esempio, consente ai ciclisti di sentire il traffico mentre pedalano, riducendo il rischio di incidenti. Inoltre, previene l’affaticamento fisico in quanto elimina il disagio causato dal calore o dall’indolenzimento dovuto all’uso prolungato di auricolari o cuffie. Se implementato correttamente, l’audio open-ear può fornire una qualità musicale eccellente per l’ascoltatore, riducendo al contempo al minimo il suono percepito dalle persone vicine. Inoltre, elimina la necessità di rimuovere le cuffie o gli auricolari quando si interagisce con altri, facilitando una comunicazione senza interruzioni. Rispondere alle telefonate diventa più naturale perché non ci sono barriere che bloccano le orecchie e la voce dell’utente. Gli auricolari e le cuffie tradizionali si basano su microfoni che ritrasmettono la voce dell’utente attraverso gli altoparlanti (talvolta chiamati sidetone), in modo che possa sentire e regolare la propria voce per evitare un suono innaturale o troppo basso. Provate a tapparvi le orecchie con le dita e parlare. La comprensione diventa difficile e i suoni sono piuttosto ovattati. Questo problema è difficile da risolvere, anche con alcuni dei migliori modelli di auricolari. Tuttavia, con i dispositivi open-ear questo non è necessario, poiché non ostruiscono le orecchie.
L’implementazione dell’audio open-ear sta aumentando in modo significativo in tre casi d’uso principali: visore VR, occhiali per la realtà aumentata/mista (AR/MR) e occhiali audio/video (Figura 2). Nello spazio VR, molti produttori hanno già adottato soluzioni open-ear per ridurre le dimensioni, il peso e la complessità dei display montati sul capo (Head-Mounted Display, HMD). Questa integrazione elimina la necessità di cuffie esterne. Il recente rilascio da parte di Apple del Vision Pro, caratterizzato da un sofisticato sistema audio open-ear, dall’integrazione dell’audio spaziale e dalla mappatura 3D dell’orecchio, dimostra i progressi in questo campo. Con i visori VR ora in grado di visualizzare il mondo esterno tramite telecamere, la capacità di sentire l’ambiente circostante diventa fondamentale e possiamo aspettarci di vedere l’audio open-ear come una soluzione adottata sempre più spesso (Figura 3).
Nel caso degli occhiali AR, l’audio open-ear è una componente vitale dell’esperienza complessiva. Senza effetti sonori, le immagini immersive in realtà mista sono incomplete. Ulteriori miglioramenti nell’audio spaziale, con capacità di headtracking, aumenteranno la credibilità di queste esperienze. Inoltre, esistono requisiti audio specifici per i casi d’uso in ambito aziendale e industriale, dove spesso si opera in ambienti rumorosi e acusticamente difficili, come i reparti produttivi o le officine di riparazione auto. In questi contesti è fondamentale mantenere la consapevolezza della situazione e trasmettere le informazioni in modo chiaro.
Uno dei casi d’uso più diffusi nel prossimo futuro saranno gli occhiali con microfoni e altoparlanti incorporati. Questo fattore di forma consente di accedere rapidamente e senza soluzione di continuità agli assistenti vocali, alle telefonate e alla riproduzione di musica. Se gli occhiali in grado di registrare video si diffonderanno, includeranno anche la riproduzione audio a orecchio aperto. Non è difficile immaginare un futuro in cui gli occhiali audio diventeranno onnipresenti, con la possibilità di un’adozione generalizzata entro il prossimo decennio.

Figura 2. I futuri occhiali intelligenti integreranno molte funzioni audiovisive.
La tecnologia audio open-ear offre numerosi vantaggi, ma presenta anche sfide significative. I dispositivi indossati sul capo devono essere leggeri e garantire una lunga durata della batteria per un uso prolungato. L’efficienza diventa cruciale nel percorso di segnale dell’audio, soprattutto quando vengono incorporate funzioni che richiedono molta energia, come la registrazione video o i messaggi visivi. Inoltre, questi dispositivi devono essere eleganti e attraenti se indossati in pubblico, e la loro carica non deve costituire un inconveniente, in particolare per gli occhiali da vista. Inoltre, i consumatori si aspettano un suono di alta qualità, dato che gli auricolari hanno stabilito uno standard elevato in termini di prestazioni audio.
Le sfide acustiche delle implementazioni audio open-ear sono semplici ma non facilmente superabili. Poiché gli altoparlanti non sono chiusi come nelle cuffie o negli auricolari e possono essere situati a una distanza maggiore dalle orecchie, si può perdere l’energia dei bassi nello spazio libero. Inoltre, richiedono una potenza maggiore rispetto ai tipici amplificatori per cuffie, richiedendo l’uso di differenti tipi di amplificatori audio. Anche le considerazioni di design industriale sono importanti, poiché posizionare gli altoparlanti più lontano aumenta il rischio che il suono venga percepito dalle persone che si trovano nelle vicinanze.

Figura 3. Nelle esperienze VR immersive, un audio migliore può fare la differenza.
Analog Devices offre un portafoglio di amplificatori audio con le specifiche e le caratteristiche giuste per rispondere a molti di questi vincoli. ADI offre anche soluzioni di sistema per l’audio open-ear, tra cui algoritmi vocali 1 , gestione della batteria e prodotti di carica 2 che affrontano queste sfide uniche. Per massimizzare le prestazioni audio, è essenziale disporre di amplificatori per altoparlanti con un’efficienza eccezionale e una potenza elevata in dimensioni compatte. L’implementazione del feedback di corrente e tensione (IV), che tiene traccia dei valori di tensione e corrente ai quali è soggetto l’altoparlante, è un altro modo per ottimizzare le prestazioni dei diffusori più piccoli. Gli algoritmi di protezione degli altoparlanti brevettati da ADI sfruttano i dati IV dei diffusori per migliorare ulteriormente le prestazioni dei micro-altoparlanti utilizzati in questi sistemi.
Due approcci: amplificatori digitali Plug and Play e amplificatori intelligenti
Il MAX98361, un amplificatore plug and play di classe D di ADI, consente ai progettisti di creare rapidamente soluzioni audio di alta qualità senza bisogno di programmazione I²C. Combina la semplicità di un amplificatore analogico con le prestazioni e l’efficienza di un amplificatore con ingresso digitale. Questo amplificatore è una scelta eccellente per i progetti di occhiali intelligenti in cui la progettazione audio potrebbe non essere l’biettivo principale, in quanto richiede una competenza minima. Inoltre, supporta in modo nativo l’audio TDM multicanale, il che significa che è possibile posizionare più altoparlanti 3 su ciascun lato per un maggiore controllo e immersione.
Altre soluzioni sono costituite da amplificatori intelligenti in classe D e classe D/G. Questi amplificatori utilizzano ADC feedback IV in-chip per determinare con precisione i limiti termici e di escursione dei microdiffusori. Questa conoscenza consente di pilotare i diffusori oltre le loro specifiche nominali senza il rischio di danneggiarli. ADI offre anche una serie di algoritmi, noti come soluzioni Dynamic Speaker Management™ (DSM), per ottimizzare le prestazioni dei diffusori sulla base dei dati IV. Il DSM è già stato integrato in diversi SoC molto diffusi.
Uno di questi amplificatori, il MAX98390, è dotato di un processore di segnale digitale integrato che integra direttamente questi algoritmi nell’amplificatore stesso. Questa integrazione riduce il carico di MIPS sul processore host. La programmazione di questo amplificatore avviene tramite il software complementare e intuitivo DSM Sound Studio, che consente una rapida messa a punto con vantaggi dimostrabili.
A seconda dell’applicazione, il MAX98390 può fornire bassi più profondi fino a due ottave e aumentare il volume fino a 2,5 volte (Figura 4). Inoltre, presenta specifiche di consumo energetico 4 ai vertici del settore per un amplificatore boosted di classe D/G. La funzione di riduzione della potenza percettiva (PPR) migliora ulteriormente l’efficienza fino al 25% senza compromettere la fedeltà audio. Il MAX98390 offre flessibilità nella progettazione del sistema, poiché include un convertitore boost programmabile con tracciamento dell’inviluppo per un’efficienza ottimale.

Figura 4. Illustrazione dei miglioramenti della risposta in frequenza e del volume grazie al DSM.
ADI ha inoltre recentemente introdotto il MAX98388, un nuovo amplificatore in classe D progettato specificamente per applicazioni AR/VR e occhiali intelligenti. Questo amplificatore incorpora il feedback IV per le funzioni di smart amp e vanta un’efficienza fino al 90%.
Conclusione
Sia che stiate sviluppando occhiali con altoparlanti integrati per offrire un’esperienza audio eccezionale ai vostri clienti, sia che stiate progettando occhiali industriali per la realtà mista che richiedono una riproduzione ad alto volume in ambienti difficili, stanno arrivando sul mercato sempre più soluzioni ottimizzate. Gli amplificatori audio intelligenti con feedback IV e algoritmi di gestione degli altoparlanti sono un ottimo modo per massimizzare le prestazioni in questi fattori di forma difficili. Altre tecnologie emergenti, come gli IC di gestione batterie in parallelo 5 e i processori di segnale digitale audio a bassa latenza 6 per l’elaborazione della voce, contribuiranno all’adozione diffusa di VR/AR e di altri fattori di forma audio open-ear. Queste soluzioni contribuiscono a estendere il tempo di funzionamento e a ridurre al minimo i tempi di inattività, assicurando che i vostri clienti possano tornare rapidamente a godersi la musica. Il futuro dell’audio è all’orizzonte, quello che sentirete vi piacerà.