Long range localization of sound sources through microphone arrays and beamforming techniques

In this thesis the long range localization of sound sources in open field has been considered as case study. The Direction of Arrival (DoA) of the sound waves is estimated by processing the output signals from a microphone array with a technique called beamforming, which allows to spatially filter the incoming signals by electronically steering the array to a specified direction. The power of the steered response of the beamforming algorithm, evaluated over the region of interest, is used as indication for solving the problem of direction finding. By means of multiple microphone arrays, installed in different locations, the estimation of the position of a sound source can be obtained through triangulation, on the basis of the DoA estimated by each microphone array. The design of the microphone array has been carried out considering the frequency range of interest, the maximum dimensions of the array and the limitation on the number of microphones. The proposed algorithm has been tested numerically simulating multiple mono-harmonic sound sources in different positions, modelled as acoustic monopoles, under the assumption of free field and far field conditions. Several experimental tests have been performed for validating the algorithm: indoor tests, in a semi-anechoic chamber for simulating open field conditions, and outdoor tests, in an open space for testing the algorithm with sound sources located at large distances from the array. For the experimental tests, both mono-harmonic and broadband acoustic signals have been used.

In questa tesi è stato considerato come caso studio la localizzazione di sorgenti sonore in campo aperto, posizionate a grandi distanze. La stima della direzione delle onde sonore viene effettuata processando i segnali in output da un array microfonico con una tecnica chiamata beamforming, che permette di filtrare spazialmente i segnali in arrivo cambiando elettronicamente la direzione puntata dall'array. La potenza del segnale in output dall'algoritmo di beamforming, calcolata nella regione di interesse, viene utilizzata come indicazione per risolvere il problema della direzione di arrivo. Utilizzando più array microfonici, installati in diverse locazioni, è possibile stimare la posizione della sorgente sonora tramite triangolazione, sulla base della direzione di arrivo stimata da ogni array microfonico. La scelta della geometria dell'array microfonico è stata effettuata considerando il campo di frequenze di interesse, le dimensioni massime dell'array e la limitazione sul numero di microfoni. L'algoritmo proposto è stato testato numericamente simulando diverse sorgenti mono armoniche, modellate come monopoli acustici, in free field e far field. Diversi test sperimentali sono stati effettuati per validare l'algoritmo: indoor, in camera semi-anecoica per simulare la condizione di campo aperto, outdoor, per testare l'algoritmo con sorgenti sonore posizionate a grandi distanze dall'array microfonico. Per i test sperimentali, sono stati utilizzati sia segnali acustici mono armonici, sia segnali ad ampio spettro.