Design and experimental characterization of a MEMS microphone array for drive-by urban noise mapping

This thesis work falls within the development of "Drive-By" systems for real-time urban noise mapping using sensorized vehicles. MEMS microphones offer the ideal solution in terms of scalability and cost-effectiveness; however, their deployment on moving vehicles requires a mechanical protective enclosure for the sensors. Nevertheless, confining micro- phones within a closed cavity inherently alters their frequency response and directivity. The objective of this research is to investigate and mitigate the acoustic distortions intro- duced by such an enclosure. To this end, various acoustic channel configurations (cylin- drical, conical, and mixed cylindrical-conical) were designed to guide the sound towards the sensors. The design phase was supported by finite element method (FEM) numerical simulations in COMSOL, followed by the manufacturing of 3D-printed prototypes and an experimental campaign in an anechoic chamber. The results demonstrate that the implementation of acoustic channels improves perfor- mance compared to both an empty cavity and the absence of channels, stabilizing the high-frequency response and preserving the omnidirectional properties of the MEMS sen- sors. The numerical simulations, integrated with a parametric analysis of the 3D printing tolerances, showed an excellent correlation with the physical tests. Finally, an octave- band calibration methodology was proposed to compensate for the acoustic alterations introduced by the enclosure and reconstruct the original signal. This work confirms that, with careful design, MEMS arrays represent a reliable solution for urban noise monitor- ing, laying the groundwork for future aerodynamic optimizations of the case and dynamic on-road testing.

Questo lavoro di tesi si inserisce nello sviluppo di sistemi "Drive-By" per la mappatura in tempo reale del rumore urbano tramite veicoli sensorizzati. I microfoni MEMS offrono la soluzione ideale per scalabilità e costi, ma il loro impiego su mezzi in movimento richiede un involucro per la protezione meccanica dei sensori. Tuttavia, confinare i microfoni all’interno di una cavità chiusa ne altera intrinsecamente la risposta in frequenza e la direttività. L’obiettivo della ricerca è studiare e mitigare le distorsioni acustiche introdotte da tale involucro. A questo scopo, sono state progettate diverse configurazioni di canali acustici (cilindrici, conici e misti cilindrici-conici) per guidare il suono verso i sensori. Il design è stato supportato da simulazioni numeriche agli elementi finiti (FEM) su COMSOL, seguite dalla realizzazione dei prototipi in stampa 3D e da una campagna sperimentale in camera anecoica. I risultati dimostrano che l’impiego dei canali acustici migliora le prestazioni rispetto a una cavità vuota e rispetto all’assenza dei canali, stabilizzando la risposta ad alta frequenza e preservando l’omnidirezionalità dei MEMS. Le simulazioni, integrate con un’analisi para- metrica delle tolleranze di stampa, hanno mostrato un’ottima correlazione con i test fisici. Infine, è stata proposta una metodologia di calibrazione per bande d’ottava volta a com- pensare le alterazioni acustiche introdotte dall’involucro e ricostruire il segnale originale. Il lavoro conferma che un’attenta progettazione rende gli array MEMS una soluzione affid- abile per il monitoraggio urbano, ponendo le basi per future ottimizzazioni aerodinamiche del case e test dinamici su strada.