Design, construction and test of three dimensional microphone arrays employing MEMS and A2B technologies

Emerging spatial audio technologies require immersive acoustic and audio quality. Microphone arrays are key factors in the spatial audio ecosystem, being able to capture spatial features of acoustic sound fields. Over the years, the proposed solutions resulted to be limited in spatial performance for upcoming applications. Advanced and affordable technologies, such as Micro Electrical Mechanical System (MEMS) and Automotive Audio Bus (A2B), constitute a promising solution for future microphone arrays. Spherical harmonics and Ambisonics are adopted as a functional framework to represent sound fields and evaluate spatial audio technologies and devices. The advancements in the microphone array field allowed the derivation of the mapping between microphone signals and spherical harmonics without the employment of analytical equations. The derived technique is based on an advanced characterization of the microphone array through impulse response measurements, leading to a matrix of Finite Impulse Response (FIR) filters to perform the mapping. This procedure allowed the employment of non-spherical three-dimensional microphone arrays. In this thesis, the development and the realization of a new three-dimensional A2B-based MEMS microphone array is presented. The target 5th Ambisonics order defined the minimum amount of microphone sensors necessary for the project. The entire system is based on triangular shaped planar microphone arrays that inspired two possible arrangement geometries: the dodecahedron and the truncated octahedron. The two arrangements have been studied through Finite Element Method (FEM) simulations, assessing their spatial performance. The truncated octahedron has shown the best results and it has been physically realized though 3D printing. The realized microphone array has been acoustically characterized through an advanced measuring technique. The measured data has been employed for deriving the necessary FIR filters to map the microphone array signal into spherical harmonics. Finally, the spatial performance has been assessed leading to the definition of acceptable frequency ranges of the realized device.

Le tecnologie audio spaziali emergenti richiedono una qualità audio e acustica immersiva. Gli array microfonici giocano un ruolo chiave nell'ecosistema audio spaziale, catturando le caratteristiche spaziali dei campi sonori. Nel corso degli anni, le soluzioni proposte sono risultate essere limitate nelle prestazioni di spazialità per le applicazioni future. Tecnologie avanzate ed economicamente convenienti, come Micro Electrical Mechanical System (MEMS) e Automotive Audio Bus (A2B), rappresentano una soluzione promettente per i futuri array microfonici. Le armoniche sferiche e Ambisonics sono adottati come una struttura funzionale per rappresentare campi sonori e valutare le tecnologie ed i dispositivi audio spaziali. I progressi nel campo degli array microfonici hanno permesso di trovare la mappatura tra segnali microfonici e armoniche sferiche senza l'impiego di equazioni analitiche. La tecnica derivata si basa sulla caratterizzazione avanzata dell'array microfonico attraverso misure di risposta all'impulso, portando ad una matrice di filtri Finite Impulse Response (FIR) per eseguire la mappatura. Questa procedura ha permesso l'utilizzo di array microfonici tri-dimensionali non sferici. In questa tesi viene presentato lo sviluppo e la realizzazione di un nuovo array microfonico MEMS tri-dimensionale basato su tecnologia A2B. Il quint'ordine Ambisonics ha definito il numero minimo di sensori microfonici necessari per il progetto. L'intero sistema si basa su array microfonici planari di forma triangolare, i quali hanno ispirato due possibili geometrie di disposizione: il dodecaedro e l'ottaedro troncato. Le due disposizioni sono state studiate attraverso simulazioni Finite Element Method (FEM), valutando le loro prestazioni spaziali. L'ottaedro troncato ha dimostrato i migliori risultati ed è stato realizzato tramite stampa 3D. L'array microfonico realizzato è stato caratterizzato acusticamente attraverso una tecnica di misura avanzata. I dati relativi alla misura sono stati utilizzati per ottenere i filtri FIR necessari per mappare i segnali microfonici in armoniche sferiche. Infine, le prestazioni spaziali sono state valutate, portando alla definizione di range di frequenza accettabili del dispositivo realizzato.