Misure direzionali

I sensori di velocità hanno una direzionalità intrinseca rispetto ai microfoni di pressione. La sensibilità di questi trasduttori varia in funzione dell’angolo di incidenza. Questa risulta essere massima, 𝑆 , quando l’onda acustica incide perpendicolarmente rispetto ai fili di platino e quasi nulla quando è parallela. Idealmente la sensibilità del Microflown può essere espressa come:

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dove θ è l’angolo tra l’asse trasversale dei filamenti e la direzione di propagazione dell’onda acustica. Quando il valore della sensibilità è massimo anche il trasferimento di calore che permette la trasduzione del segnale utile è massimo. Generalmente la sensibilità viene rappresentata in un diagramma polare in cui assume un andamento chiamato figure of eight simmetrico rispetto all’asse longitudinale dei fili, ragion per cui questo profilo è spesso chiamato diagramma bidirezionale (Figura 1-11A). I microfoni a gradiente di pressione hanno lo stesso comportamento in termini direzionali, come già introdotto nel paragrafo 1.4.2, infatti lo spostamento della membrana è proporzionale a 𝛻p ∙ 𝑛, dove 𝑛 è la normale rispetto al piano passante per l’asse della membrana.

I microfoni di pressione invece sono sensori omnidirezionali, ovvero la loro sensibilità mantiene un valore costante indipendentemente dalla direzione di incidenza dell’onda acustica (Figura 1-11B). Se la lunghezza d’onda diminuisce, fino a diventare comparabile con le dimensioni del microfono, questa condizione non è più valida, poiché il microfono diventa un ostacolo per l’onda acustica e la sua sensibilità per alcuni angoli di incidenza decresce.

Combinando microfoni a gradiente di pressione, microfoni di pressione e sensori di velocità delle particelle possiamo ottenere trasduttori con direttività diverse da quelle in Figura 1-11.

Figura 1-11: nella fig. 14A è raffigurata la sensibilità in coordinate polari di un sensore di velocità delle particelle o di un microfono a gradiente di pressione. Nella fig. 14B è raffigurata la sensibilità in coordinate polari di un microfono di pressione.

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La velocità delle particelle acustiche è una grandezza vettoriale, conoscendo le sue tre componenti possiamo identificare la posizione della sorgente sonora nello spazio tridimensionale misurando la Direction Of Arrival (DOA).

Il calcolo della DOA è utile per molte applicazioni tra cui il monitoraggio dell’acustica ambientale, i sistemi a comando vocale, la localizzazione della posizione di corpi sommersi [16] e lo sviluppo di apparecchi acustici biomedici.

L’identificazione della DOA è possibile anche avendo a disposizione tradizionali sensori di pressione utilizzando un array di microfoni anche se l’utilizzo di questa configurazione è molto limitante. La posizione della sorgente sonora viene ricavata grazie al ritardo di ricezione dei microfoni, (Time Difference of Arrival - TDOA) perché questi sono dovuti alla distanza che impiega l’onda acustica a raggiungere il singolo trasduttore. Una delle tecniche più usate è quella del Beamforming, per capirne il funzionamento possiamo far riferimento ad un array di microfoni lineare. Se l’onda acustica incide perpendicolarmente rispetto all’asse dell’array ogni microfono riceve la stessa informazione e la somma dei segnali misurati dai singoli ripropone l’onda incidente. Se invece l’angolo tra la direzione di propagazione dell’onda e l’asse longitudinale dell’array è minore di 90° la differenza di fase fa sì che la somma dei segnali misurati dai diversi microfoni sia attenuata rispetto al caso precedente. Con questa configurazione il sensore risultante dalla combinazione di tutti i microfoni ha una direttività selettiva con il massimo della sensibilità lungo la direzione perpendicolare all’array. Introducendo ritardi virtuali sui segnali digitalizzati rilevati dai diversi microfoni e combinandoli tra loro è possibile ottenere un sensore risultante con un massimo della sensibilità lungo un altro asse. Per ottenere una mappa acustica occorre interpolare tutti i risultati ottenuti dai sensori virtuali risultanti con direttività selettiva rispetto ad un certo asse nel piano. La realizzazione di questo metodo è molto complessa, perché i ritardi virtuali sono funzione della distanza tra i microfoni, della frequenza del suono da localizzare e della direzione della massima sensibilità. La necessità di un’elaborazione successiva alla misura rende inadatto questo tipo di localizzazione ad applicazioni real-time. L’utilizzo di array di microfoni presenta anche altre problematiche soprattutto legate alla limitata banda di funzionamento. La distanza tra i

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microfoni deve essere comparabile con la lunghezza d’onda del suono di interesse, per basse frequenze λ è molto grande e conseguentemente anche la distanza tra due trasduttori dell’array deve esserlo. Per localizzare infrasuoni (frequenze inferiore ai 20 Hz) i microfoni devono essere separati da una distanza che va dagli 0.5 Km ai 3 Km, con un evidente problema di ingombro [17]. La risposta in frequenza è anche limitata superiormente a causa dell’aliasing spaziale, per ridurlo è necessario avvicinare i sensori, ma questo porta ad un peggioramento della risoluzione.

Una valida alternativa per il calcolo della DOA è l’utilizzo degli array di AVS (acoustic vector sensor). Gli AVS sono sensori formati da tre Microflown orientati lungo i tre assi cartesiani 𝑥 𝑦 𝑧̂ e da un microfono di pressione omnidirezionale.

L’utilizzo degli AVS consente misure a larga banda, e l’unico limite frequenziale è quello dovuto alla risposta in frequenza del singolo sensore. La struttura di questi sensori permette di avere dimensioni estremamente compatte, per qualunque frequenza acustica di interesse. L’utilizzo di questi sensori permette, inoltre, una prima parziale analisi real time, mentre quella completa necessita comunque di tecniche come il beamforming. Queste caratteristiche permettono di poter localizzare una sorgente sonora anche con sonde di dimensioni limitate e poter ricavare mappe acustiche anche per suoni con basse o alte frequenze.

Per il calcolo del solo angolo di Azimuth, che permette la localizzazione della sorgente sonora sul piano, sono necessari solamente due sensori di velocità, ortogonali tra loro, e un microfono di pressione. La presenza di un sensore di pressione in queste configurazioni è utile per individuare l’orientazione dell’onda.

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2 Sensori APV CMOS

compatibili

I sensori Microflown descritti nel capito precedente presentano due grandi limiti. La fragilità della struttura dovuta alla lunghezza dei fili sospesi sulla cavità del substrato e gli elevati costi di produzione dovuti all’utilizzo di materiali e tecnologie dedicate non compatibili con i processi microelettronici standard. L’Università di Pisa attualmente sta sviluppando dei nuovi sensori di velocità delle particelle APV (acoustic particle velocity) realizzabili con tecnologia CMOS. Queste nuove strutture permettono di abbassare notevolmente i costi di produzione, almeno per grandi volumi, e di integrare direttamente sensori e interfaccia elettronica su un unico chip riducendo i disturbi. L’utilizzo di queste tecnologie permetterà in futuro di realizzare una sonda p-u estremamente compatta composta da un sensore APV, un microfono MEMS CMOS compatibile e l’elettronica di controllo.