• localizzazione di una sorgente sonora
• sensori CMOS compatibili
• sensori di velocità delle particelle acustiche

In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un sistema in grado di localizzare una sorgente sonora. Il sistema è composto da un sensore di pressione e da due sensori APV con gli assi di sensibilità ortogonali, I due sensori APV sono integrati su un chip realizzato con un processo CMOS commerciale. Il chip contiene 10 strutture diverse ciascuna costituita da un ponte di Wheatstone di ressitenze. Nell'ambito di questa tesi sono state esaminate i sensori in cui le resistenze dei rami del ponte di Wheatstone formate da tre segmenti in serie perché tale configurazione ha una sensibilità maggiore. La sensibilità dei sensori APV presi in esame ottenuta con il metodo del tubo ad onde stazionarie ha un andamento, per quello che possiamo osservare con questo tipo di misura, a polo dominante. Per apprezzare tale andamento si è reso necessario l’utilizzo di un tubo più lungo, rispetto a quello utilizzato inizialmente, in modo che il sensore APV e il microfono di riferimento si trovassero ad una distanza che permettesse di osservare anche le basse frequenze. Grazie a questo nuovo setup sono state osservate frequenze fino a 34 Hz.
Come previsto dalle simulazioni Comsol anche nella zona piatta, prima del polo, la sensibilità dei sensori risulta essere bassa e il polo dominante si trova intorno a 1 kHz, a causa dell’elevata capacità termica delle strutture.
La sensibilità dello stesso sensore alimentato con tensioni di alimentazione diverse varia: più è alta la tensione più sarà alta la sensibilità. Per motivi costruttivi la temperatura dei filamenti dei sensori e la corrente che scorre nei rami del ponte non possono crescere troppo, per questo non è possibile aumentare la tensione di alimentazione oltre un certo limite. Si è scelto di alimentare i sensori con tensioni che vanno da 4 V a 7 V.
Alimentando due strutture nominalmente identiche con la stessa tensione le sensibilità risultano differenti, perché la temperatura dei filamenti è diversa. Per poter confrontare correttamente le sensibilità è necessario alimentare le strutture con alimentazioni diverse in modo che le temperature delle resistenze siano congruenti.
Si ricorda che le strutture presenti nel chip si dividono in tre categorie optimum, small e large. Grazie ai risultati ottenuti con le misure in laboratorio si può notare come la struttura s6, ovvero la struttura large, sia quella più sensibile, seguita dalle strutture optimum e infine dalle strutture small.
Per realizzare il sistema di localizzazione della sorgente acustica nel piano risultano necessarie due strutture con l’asse di massima sensibilità ortogonale. Sul chip è presente una sola struttura large, quindi per raggiungere tale scopo si è scelto di utilizzare due strutture optimum.
Per verificare la direttività delle strutture inizialmente sono state effettuate delle misure nel tubo ad onde stazionarie. Per queste misure preliminari è stata scelta la struttura s6 visto che, come anticipato, risulta essere quella con la sensibilità più alta.
Il chip, e quindi anche il sensore s6, è stato ruotato all’interno del tubo in modo che l’onda acustica incidesse sulla struttura con angoli differenti. In corrispondenza di alcuni angoli tra 0° e 360° sono stati prelevati i dati della tensione di uscita del ponte di Wheatstone. Rappresentando la tensione acquisita su un grafico polare si può notare come questa assuma l’andamento tipico dei sensori direzionali: la figure of eight, conseguenza della risposta cosinusoidale del sensore. La curva ottenuta non è perfettamente simmetrica, questo è dovuto soprattutto alla presenza del package e alla non planarità del supporto, che rappresentano fattori di non idealità in quanto fanno sì che l’onda non incida parallelamente alla superficie del chip. Inoltre l’andamento ottenuto non si chiude perfettamente in corrispondenza degli angoli 0° e 270° poiché non è stato tolto il contributo del rumore. È stato inoltre dimostrato come avendo a disposizione due sensori perpendicolari tra loro si può, grazie ad una combinazione lineare delle risposte di tali sensori, ottenere un sensore con l’asse di massima sensibilità con direzione programmabile.
Una volta verificato, dentro al tubo ad onde stazionarie, che la risposta dei sensori fosse una risposta direttiva il chip è stato portato fuori dal tubo per effettuare misure in campo aperto.
A questo punto è stato possibile realizzare il sistema di localizzazione della sorgente acustica scopo di questa tesi. Il sistema è formato da due sensori di velocità delle particelle acustiche e da un microfono MEMS, grazie al quale è possibile distinguere i quattro quadranti del piano. Si è scelto di utilizzare un microfono MEMS per rendere la sonda più compatta. Questo sistema è in grado di distinguere l’angolo di Azimuth relativo ad una sorgente acustica una volta nota la frequenza del suono emesso dalla sorgente stessa.
L’errore assoluto compiuto dal sistema sul riconoscimento dell’angolo dipende dalle tensioni di alimentazione dei sensori e dalla frequenza poiché modificando queste grandezze la sensibilità delle strutture varia. In ogni misura effettuata questo errore non supera i 12.1°, questo può essere considerato un buon risultato per alcune applicazioni. Per diminuire ulteriormente l’errore sono stati aggiunti dei fattori correttivi, propri di ogni quadrante, validi per ogni misura effettuata per tener conto di alcune non idealità presenti nella struttura quali l’inclinazione del chip e la presenza del case che, anche in questo caso, fanno sì che l’onda acustica non incida parallelamente alla superficie del chip. Con l’introduzione di questi fattori l’errore assoluto diminuisce e soprattutto si nota un netto miglioramento dell’errore medio e della deviazione standard.
Nella maggior parte delle applicazioni la frequenza del suono emesso dalla sorgente da localizzare non è nota. Un futuro sviluppo sarà quello di individuare la frequenza del suono misurato grazie alla fft e alle crosscorrelazioni. Nell’ultima parte di questa tesi è stato implementato un programma python che identifica la frequenza dell’oscillazione misurata grazie alla fft. Per avere delle risoluzioni migliori e conseguentemente dei risultati migliori risultano necessarie nuove misure.
Concludendo in questa tesi è stato sviluppato un sistema in grado di individuare la posizione di una sorgente sonora. Le misure condotte, anche se preliminari, hanno dimostrato la capacità del sistema di indicare l'angolo di Azimuth di provenienza del suono. I risultati ottenuti possono essere considerati un buon punto di partenza per futuri sviluppi.