5.1.1 Direttività dei sensori APV
La verifica della direttività dei sensori APV è stata fatta utilizzando la struttura s6 che dalle misure svolte in precedenza è risultata la più sensibile. La struttura s6 è l'unica della tipologia large integrata sul chip e quindi non potrà essere utilizzata nei test successivi che richiedono due strutture con assi di sensibilità ortogonali.
Per questa struttura è stato possibile solamente acquisire la tensione di uscita in funzione dell’angolo di rotazione. Nella Figura 5-1 è riportato il grafico in coordinate polari ottenuto con uno stimolo alla frequenza di 450 Hz con un’ampiezza picco-picco di 8 V, quando il sensore s6 è alimentato con una tensione di 7 V.
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Figura 5-1: diagramma polare della tensione di uscita della struttura s6 quando il sensore è alimentato con 7 V e lo stimolo acustico ha una frequenza di 450 Hz e un’ampiezza picco-picco di 8 V.
Come si vede dalla figura, il sensore evidenzia la dipendenza cosinusoidale dalla direzione di propagazione del suono; infatti si ha il valore massimo nel caso in cui l’angolo di incidenza dell’onda acustica sul sensore sia pari a 0° o 180°, mentre si ha il valore minimo quando tale angolo è pari a 90° o 270°. Si può notare che il comportamento non sia perfettamente simmetrico: questo può essere dovuto ad errori di allineamento del chip all'interno del tubo, alla non perfetta planarità del chip all'interno del package e all'influenza del package stesso nella risposta del sensore. Infine si può notare come figura ad otto in corrispondenza di 90° e 270° non si chiuda si annulli completamente, questo è principalmente dovuto al rumore che non è stato eliminato.
5.1.2 Sensore a direttività programmabile
Nel caso si abbiano a disposizione due strutture con assi di sensibilità ortogonali è possibile ottenere un sensore con direttività programmabile la cui sensibilità è ottenuta come combinazione lineare delle due sensibilità dei singoli sensori. Per dimostrare questa possibilità sono state utilizzate le strutture s4 e s5 e una interfaccia di lettura che consente la misura contemporanea di due strutture.
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La struttura s4 ha una sensibilità massima lungo l’asse x, mentre la struttura s5 ha una sensibilità massima lungo l’asse y, come possiamo vedere dalla Figura 5-2. Il setup di misura utilizzato è lo stesso impiegato per le misure della sensibilità, con la differenza che per poter leggere e alimentare entrambe le strutture è stata adoperata una PCB dedicata, e il microfono di riferimento non è stato utilizzato.
Figura 5-2:struttura s4 (Sx) e struttura s5 (Sy). La struttura Sx ha la massima sensibilità lungo l’asse x, mentre la struttura Sy lungo l’asse y. Sulla destra è riportato lo schema circuitale della singola struttura.
Il circuito di lettura è riportato nella Figura 5-3. I due sensori sono alimentati da una tensione continua 𝑉 che viene applicata sulle diagonali. Il segnale di uscita dei sensori viene prelevato sulla diagonale opposta. La tensione 𝑉 è fornita da un regolatore di tensione LP2951 che grazie al trimmer 𝑅 può dare una tensione regolata da 1.25 a 12V. Il segnale di uscita, risultato di uno stimolo acustico, è molto piccolo (decine di microvolts) quindi per amplificare il segnale è stato necessario l’impiego di amplificatori da strumentazione a basso rumore AD8421. Il guadagno di questi due amplificatori è impostato a 200.
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Figura 5-3:circuito di lettura. La linea tratteggiata contiene componenti e collegamenti interni al chip, gli altri sono contenuti nella PCB dedicata.
La componente continua del segnale in uscita dal ponte viene filtrata dal filtro passa alto formato dalla resistenza 𝑅 e la capacità 𝐶 , con una frequenza di cut-off di 10 Hz. I segnali in uscita dagli amplificatori 𝑉 e 𝑉 vengono filtrati con un filtro passa basso 𝑅 -𝐶 che ha una frequenza di roll-off di 15 KHz. I segnali 𝑉 e 𝑉 sono acquisiti con il picoscope. Per poter misurare la direttività dei sensori è stato necessario ruotare il chip all’interno del tubo in modo che l’onda acustica incida sulle strutture con angoli differenti e prelevare entrambi i segnali di uscita in corrispondenza degli angoli da analizzare. Questa operazione è stata effettua manualmente grazie alla presenza del goniometro nella struttura di sostegno del chip. I segnali sono stati acquisiti grazie ad un programma python. Il programma richiede di inserire manualmente l’angolo di rotazione del chip e preleva i segnali dei due canali del picoscope estraendone, grazie alla frequenza nota del segnale di stimolo, i fasori. A questo punto ricava il modulo dei singoli fasori e la differenza di fase, salvando i valori in un file di testo. I risultati ottenuti sono poi rappresentati in un diagramma polare.
Alimentando i sensori con una tensione di 7 V, grazie alla procedura appena illustrata, otteniamo la direttività dei sensori 𝑆 e 𝑆 rappresentata nella Figura 5-4.
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Figura 5-4: diagramma polare delle tensioni di uscita 𝑉 e 𝑉 , quando 𝑉 =7 V.
Essendo alimentati con la stessa tensione i due sensori non presentano la stessa sensibilità per questo è stato necessario l’utilizzo di un fattore di correzione all’interno del programma per equalizzare le risposte. Nella Figura 5-4 si può notare come entrambe le tensioni di uscita assumano il tipico l’andamento della figure of eight, conseguenza della risposta cosinusoidale del sensore. Avendo a disposizione le due direttività possiamo ottenere un sensore virtuale con l’asse di massima sensibilità in direzione θ:
𝑉 = 𝑎 ∙ 𝑉 + 𝑏 ∙ 𝑉 (5. 1)
Con 𝑎 = cos 𝜃 e 𝑏 = sin 𝜃. Si riporta in figura 5-5 la direttività del sensore virtuale con la sensibilità massima quando θ = 30°.
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Figura 5-5:diagramma polare di 𝑉 ottenuta con l’equazione 5-1 e θ=30°. così facendo è possibile ottenere un sensore orientato lungo un asse virtuale cambiando i soli coefficienti a e b.