Array microfonici per applicazioni marine : localizzazione di sorgenti sonore e ascolto remoto

This thesis describes a microphone array system capable of locating sound sources at long distances in an open field, such as above the sea surface. The technique used to achieve this goal is called beamforming that starts from the sound pressure measured by the microphones, through the algorithm Delay & Sum, identifies the Direction Of Arrival (DOA) of the sound wave, assumed with the planar wavefront. As output, the system generates a beampattern diagram, expressed in terms of Sound Pressure Level (SPL) as a function of the DOA and a polar diagram containing the Polar Steered Response Power. Through the triangulation of the results of at least two arrays, the system can locate the position of the sound source. Once known the coordinates of the source, the same algorithm is able to operate as a filter amplifying the signal of the emitter, in the attempt to make it intelligible to a listening operator. Starting from some constraints imposed in the design phase, such as the maximum size of the array, the number and types of microphones, numerical simulations were performed in order to evaluate the sensitivity of the problem to different parameters. In particular, we have analyzed the distances of the source, the emission frequencies, the propagation speed of sound. Some experimental tests, with a simplified layout of the system, have been performed in order to confirm the numerical results by placing the source at a distance of about 90 m. Finally, the possibility of using a rotating array has been analyzed to increase the measurable range of frequencies. A critical analysis of the results has also allowed to define the limits of applicability of the instrument and suggested intervention criteria to overcome these limitations.

Questo lavoro di tesi descrive un sistema di array microfonici in grado di localizzare sorgenti sonore a grandi distanze in un campo aperto, come ad esempio al di sopra della superficie marina. Per ottenere ciò è stata utilizzata la tecnica del beamforming che partendo dal campo di pressione misurato dai microfoni, attraverso l’algoritmo Delay&Sum, individua la Direction Of Arrival dell’onda sonora, ipotizzata con fronte d’onda planare. In output il sistema genererà un diagramma del beampattern, espresso in termini di livello di pressione sonora (SPL) in funzione della direzione d’arrivo ed un diagramma polare contenente la Polar Steered Response Power. Quindi attraverso la triangolazione dei risultati di almeno due array è possibile individuare la posizione della sorgente sonora. Una volta note le coordinate di quest’ultima, lo stesso algoritmo è in grado di operare come filtro amplificando il segnale dell’emettitore, nel tentativo di renderlo intellegibile per un operatore in ascolto. Partendo da alcuni vincoli imposti in fase progettuale, quali dimensione massima dell’array, numero e tipo di microfoni, sono state effettuate prove numeriche al fine di valutare la sensibilità del problema a diversi parametri. In particolare sono state analizzate le distanze della sorgente, le frequenze di emissione, le velocità di propagazione del suono. Per confermare i risultati numerici sono state effettuate alcune prove sperimentali con un layout semplificato del sistema ponendo la sorgente ad una distanza di circa 90 m. Infine per aumentare il campo di frequenze misurabili è stata analizzata, solo numericamente, la possibilità di usare un array rotante. Il sistema proposto soddisfa le specifiche richieste. Un’analisi critica dei risultati ha inoltre permesso di definire i limiti di applicabilità dello strumento e ha suggerito i parametri su cui intervenire per superare queste limitazioni.