Amplificatore per ipoacusici: Angelo l’audio portatile open source ottimizzato per la voce umana

Realizziamo un amplificatore audio portatile e open source, ottimizzato per la voce umana, nato per migliorare la comunicazione con persone anziane o ipoacusiche, facile da usare e personalizzare.

Ci sono progetti che nascono da una semplice idea tecnica, e altri che prendono vita dalla necessità reale di risolvere un problema umano concreto.

Il progetto Angelo appartiene con forza a questa seconda categoria. Siamo nel 2020, nel pieno della pandemia di COVID-19. Le immagini delle RSA isolate, degli anziani separati dalle famiglie, sono ancora vive nella memoria collettiva.

Luciano Fumagalli, maker e appassionato di elettronica, vive sulla propria pelle la difficoltà di comunicare con il suocero Angelo, ultracentenario e profondamente ipoacusico, isolato in una struttura protetta. Il distanziamento, le mascherine e la mancanza di tecnologie adeguate trasformano ogni visita in un momento frustrante, segnato dall’impossibilità di capirsi e dalla paura che il silenzio venga percepito come abbandono.

Nasce così, quasi per necessità, la prima versione del dispositivo che oggi conosciamo come “Angelo”. L’idea prende forma durante uno di questi incontri, quando Luciano, osservando la fatica della moglie nel comunicare, intuisce che è necessario andare oltre la semplice amplificazione “di volume” della voce. Serve un sistema che riporti al centro il senso umano della comunicazione, valorizzando le frequenze del parlato che più aiutano la comprensione del linguaggio.

Un’intuizione quanto mai attuale, se si considera che secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità nel 2050 saranno 2,5 miliardi le persone nel mondo a convivere con una perdita dell’udito (Fig. 1).

Fig. 1 Nel 2050 saranno 2,5 miliardi le persone con problemi di udito.

Un dato allarmante che sottolinea l’urgenza di trovare soluzioni accessibili, efficaci e inclusive.

Dopo i primi esperimenti con kit pensati per l’ascolto della natura, e forti dell’impatto positivo sulla qualità della vita di Angelo, Luciano decide di condividere la soluzione, abbracciando la filosofia open source.

Non una soluzione chiusa, ma un progetto accessibile a tutti, migliorabile e replicabile, capace di restituire voce e dignità a chi troppo spesso viene isolato dal mondo per una semplice perdita uditiva.

Fin dall’inizio, il progetto Angelo è stato pensato per essere facilmente accessibile e replicabile.

Lo spirito della condivisione non riguarda solo il software, ma anche l’hardware, le istruzioni di montaggio, le guide didattiche. Tutti possono contribuire con suggerimenti, modifiche e nuove funzionalità.

Questa apertura, che rispecchia la missione delle community makers, ha permesso ad Angelo di diventare un vero movimento solidale.

Schema elettrico

Lo schema elettrico di Angelo è stato progettato con due obiettivi fondamentali: la massima semplicità d’uso e la qualità audio elevata, soprattutto per quanto riguarda la comprensione della voce umana. Ogni scelta di componente, topologia circuitale e disposizione degli elementi nasce da questa doppia esigenza.

Alimentazione duale: una soluzione elegante con una sola batteria

Uno degli aspetti più raffinati e meno scontati di Angelo è la gestione dell’alimentazione duale. Sappiamo che molti amplificatori operazionali, specie in applicazioni audio di qualità, richiedono una tensione di alimentazione “simmetrica”, cioè che fornisca sia un positivo (+VCC) che un negativo (–VCC) rispetto a un punto centrale di massa (GND).

Questo permette di trattare segnali alternati, come l’audio, senza introdurre distorsioni dovute a limiti di escursione o a “clipping” verso il polo negativo. Ma come ottenere una duale da una semplice batteria da 9V? Nel circuito di Angelo la soluzione è affidata a una sezione specifica, formata dalla seconda metà del TL072 (U1.2), da due transistor (Q1 S9013 NPN e Q2 S9012 PNP), da due condensatori elettrolitici da 100µF (C14 e C15) e da una rete di resistenze.

Il principio è quello del “midpoint virtuale”: preleviamo la metà esatta della tensione della batteria tramite un partitore (R9 e R10, entrambi da 10kΩ) e la affidiamo a un buffer realizzato con l’operazionale U1.2.

Il buffer, grazie ai due transistor e ai condensatori di filtro, fornisce corrente sufficiente a tutte le sezioni del circuito che hanno bisogno di una massa virtuale stabile, mantenendo la polarizzazione anche in presenza di segnali audio variabili. Il risultato è che possiamo disporre, rispetto a questo punto centrale (GND virtuale), di +4,5V e –4,5V, ricreando una vera alimentazione duale pur partendo da una sola pila.

Questo accorgimento è fondamentale per assicurare un’elevata qualità audio e un funzionamento privo di distorsioni, specie nella preamplificazione dei segnali provenienti dal microfono. Un LED di segnalazione (DL1), alimentato tramite una resistenza di limitazione (R8 da 1kΩ), indica all’utente che il dispositivo è acceso e funzionante.

Il prototipo con la batteria non ricaricabile.

Sezione di ingresso: capsula microfonica e filtro passa-banda

Angelo può ricevere il segnale acustico sia da una capsula microfonica interna (MIC INT, J1) sia da un microfono esterno (SK2). Quest’ultimo consente l’uso di microfoni con diversi standard di collegamento, inclusi quelli stereo, di tipo professionale o Bluetooth.

Il segnale raccolto dal microfono viene polarizzato e filtrato grazie alla rete R4 (10kΩ), R5 (50kΩ) e C7 (4,7nF). Il condensatore elimina eventuali componenti continue, mentre la resistenza R4 fornisce la polarizzazione necessaria alle capsule elettrete.

La vera “intelligenza” del circuito è però nella rete che segue: R1 (470Ω), C1 (330nF), R2 (2,2kΩ), R3 (10kΩ) e C2 (10nF) formano insieme all’ingresso dell’amplificatore operazionale TL072 (U1.1) un filtro passa-banda attivo.

Questa scelta progettuale è fondamentale: la voce umana è concentrata soprattutto nella gamma tra 300Hz e 3kHz, mentre molte delle consonanti critiche per l’intelligibilità del parlato sono fra 1kHz e 4kHz.

Il filtro attenua le frequenze troppo basse (rumori ambientali, ronzio di rete, traffico) e quelle troppo alte (fruscii, sibili), esaltando la banda utile e rendendo più semplice comprendere le parole anche a chi ha una perdita selettiva dell’udito.

I condensatori C3 (22µF), C4 (0,1µF), C10 (22µF) e C11 (0,1µF) sono inseriti per il bypass e la stabilizzazione della tensione e per eliminare i residui di ripple e i disturbi che potrebbero influire sulla qualità del segnale audio.

Il case stampato in 3D può essere personalizzato.

Preamplificazione e regolazione del volume

Il segnale, opportunamente filtrato, viene inviato all’ingresso non invertente della prima metà del TL072 (U1.1).

Questo operazionale è configurato come amplificatore non invertente, con un guadagno determinato dal rapporto tra i resistori di retroazione e quelli d’ingresso. Il segnale viene così portato a un livello sufficiente per essere gestito dallo stadio di amplificazione finale.

A valle del preamplificatore si trova il potenziometro R7 (50kΩ), che svolge una doppia funzione: regola il volume d’ascolto e, grazie all’interruttore incorporato, funge da interruttore generale del dispositivo. Portando il potenziometro al minimo, l’alimentazione viene automaticamente disattivata, spegnendo tutto il circuito e prolungando la durata della batteria.

Questa soluzione, semplice ma efficace, evita la necessità di un interruttore separato e rende l’uso di Angelo ancora più immediato, soprattutto per persone anziane o con ridotta manualità.

Amplificazione finale: LM386, filtro passa-basso e uscita cuffia

Il segnale amplificato e regolato viene inviato all’integrato LM386 (U2), uno degli amplificatori audio più famosi per applicazioni portatili. Nel circuito Angelo, l’LM386 è configurato con un guadagno di 20 (impostazione di default senza condensatore tra i pin 1 e 8), sufficiente a pilotare una coppia di cuffie o piccoli altoparlanti.

La rete composta da R6 e C13 realizzano un filtro passa-basso a circa 15kHz, che elimina i disturbi ad alta frequenza, protegge l’udito dell’utente e assicura una riproduzione fedele della voce, priva di sibilanti eccessivi.

I condensatori C5 (100µF) e C6 (0,1µF) sono utilizzati per stabilizzare la tensione di alimentazione dell’LM386, riducendo eventuali fluttuazioni e disturbi provenienti dalla batteria e garantendo un funzionamento silenzioso e privo di interferenze dell’amplificatore audio. L’uscita dell’LM386 è collegata direttamente al jack SK1, compatibile con cuffie standard a bassa o media impedenza.

Angelo con delle semplici cuffie.

Realizzazione pratica

Un grande vantaggio di Angelo, rispetto a molti altri dispositivi simili, è la sua completa compatibilità “plug & play”. Chi acquista il dispositivo da Futura Elettronica non dovrà effettuare alcun tipo di montaggio, configurazione, saldatura o settaggio.

Tutto ciò che serve è una normale batteria da 9V, che va inserita nell’apposito vano. L’indicatore LED si illuminerà per confermare che tutto è funzionante e, regolando il potenziometro, sarà possibile adattare il volume secondo le necessità.

Il case è stato progettato per offrire la massima maneggevolezza: non presenta parti taglienti e si adatta anche a mani poco ferme. Il jack per le cuffie e il potenziometro sono ben distanziati e facilmente accessibili. La progettazione open source e la documentazione pubblica permettono a chiunque di personalizzare il dispositivo.

Ciascun utente può sostituire la capsula microfonica con una di diverso tipo o qualità, modificare la risposta in frequenza cambiando i valori dei condensatori e delle resistenze nella rete di ingresso, aggiungere un microfono wireless tramite l’ingresso SK2 oppure personalizzare il case, ad esempio tramite stampa 3D, per adattarlo ad esigenze particolari come il montaggio su una carrozzina o l’applicazione a diversi supporti.

Tutte queste personalizzazioni sono favorite dalla chiarezza dello schema elettrico e dalla qualità del montaggio SMD, che assicura affidabilità e durata anche in condizioni di uso quotidiano e non professionale. Dal punto di vista della manutenzione, il dispositivo richiede solo la sostituzione periodica della batteria. Tutti gli altri componenti sono dimensionati per durare anni senza necessità di interventi.

Conclusione

Angelo è un progetto che unisce ingegneria, attenzione alle reali esigenze delle persone, passione per la qualità e per l’inclusione. Ogni dettaglio del circuito è stato ottimizzato per rendere la comunicazione accessibile anche a chi, per età o patologia, si trova temporaneamente “fuori dal mondo”.

La possibilità di utilizzare subito il dispositivo senza bisogno di alcuna configurazione, la cura nella scelta dei componenti e la trasparenza progettuale fanno di Angelo una soluzione che chiunque può comprendere, modificare e adattare. Angelo rappresenta una sintesi perfetta tra scienza e cuore. Una piccola scatola che amplifica la voce, le emozioni e la possibilità di restare vicini.