The focus of this study is the optoelectronic integration of a micro-optical displacement detection architecture with a biomimetic MEMS microphone membrane based on the directional hearing mechanism of the parasitic fly Ormia Ochracea. The micromachined microphones feature optical interferometric displacement detection achieved using a commercially available Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) coupled with a custom designed silicon photodiode array. This design is shown to have significant advantages over conventional hearing aid microphones, which employ capacitive detection. A Multi-Chip Module (MCM) optoelectronic package is designed to integrate the biomimetic membrane with the optical displacement detection electronics in order to produce a fully integrated acoustic sensor. The modular package components, which are fabricated using high resolution stereolithography apparatus (SLA) equipment, provide accurate optical alignment of the optoelectronic components and allow complete device integration in a package with a total volume under 0.5cc. Characterization of the integrated microphones is described in detail, including measurements of sensitivity, noise floor and directivity. A displacement resolution of 3.5x10⁻¹³ m/√Hz was measured between 4kHz and 16kHz in an anechoic test chamber, corresponding to a dynamic range of 115dB for the optical detection architecture. The total noise SPL of the device is 35.9dBA. Unlike capacitive microphones with similar noise levels, the device developed in this work exhibits first order dipole directivity patterns between 250Hz-1kHz, with an ideal Directivity Index of 4.8dB @ 1kHz and directional attenuation exceeding 25dB. With these results the optoelectronic package presented in this work demonstrates the viability of the integrated optical biomimetic microphones in compact, low power applications, specifically directional hearing aids.

La Vélocimétrie Laser à effet Doppler (VLD) est un outil de mesure de vitesse particulaire non-invasif couramment utilisé en mécanique des fluides qui reste cependant encore marginal en acoustique. L'accès à l'information de vitesse particulaire acoustique permet de caractériser les champs acoustiques complexes, autorisant l'étude de phénomènes acoustiques au voisinage de parois vibrantes ou de discontinuités gémométriques par exemple.<br />L'application de la VLD à l'acoustique de l'audible pour des niveaux allant de 60 à 120 dBSPL en présence de faibles écoulements (quelques mm/s) constitue le domaine d'investigation du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine depuis le milieu des années 90. Les méthodes de traitement du signal aujourd'hui implémentées sur le banc de mesure appartiennent à la famille des méthodes temps-fréquence donnant accès à la loi de fréquence instantanée (proportionnelle à la vitesse) de la particule lors de son passage dans le volume de mesure. Ces méthodes ont été développées et validées expérimentalement sur une seule bouffée Doppler en présence de très faible écoulement conduisant à une loi de variation de la vitesse de plusieurs périodes acoustiques.<br />L'objectif de cette thèse est double. Dans un premier temps, il vise à développer un traitement de signal qui permette d'estimer la vitesse acoustique à partir de l'analyse de plusieurs bouffées. Dans un deuxième temps, il vise à utiliser la VLD pour estimer une pression acoustique à partir des vitesses acoustiques mesurées au voisinage d'un structure (d'un microphone).<br />La première partie du travail consiste à développer et valider une méthode de traitement du signal, basée sur l'utilisation de la transformée en ondelette, capable de détecter, localiser, classifier (simple ou multiple) les bouffées contenues dans un signal bruité et propose une méthode d'estimation des paramètres acoustiques et de vitesse d'écoulement par utilisation d'une méthode des moindres carrés appliquée au signal de fréquence instantanée estimé suite à la détection des bouffées.<br />La deuxième partie de cette thèse permet d'initialiser des travaux, en collaboration avec le laboratoire d'acoustique d'Edimbourg, sur l'étalonnage de microphone en champ libre par mesures de vitesses acoustiques VLD.<br />Une première étude de faisabilité d'estimation de la pression à partir de mesures de vitesses à une dimension est menée, permettant d'envisager un étalonnage des microphones à réponse en pression. Puis, dans un second temps, une approche analytique basée sur la formulation intégrale de Green propose de développer un modèle à deux dimensions du champ de pression en fonction de la vitesse au voisinage très proche du microphone dans le but d'étalonner les microphones en champ libre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Acoustique : Le Mans : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p.203-209.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μέθοδο αλλά και υλοποίηση ηχητικών συστημάτων με τη χρήση περιβάλλοντος Matlab. Το περιβάλλον το οποίο εξομοιώνουμε είναι μια σκηνή με καθορισμένες διαστάσεις, στην οποία υπολογίζεται η στάθμη ηχητικής πίεσης (SPL), κάνοντας χρήση δύο ηχείων-monitors. Βρίσκουμε το βέλτιστο τρόπο χρήσης των ηχείων και τη θέση του δέκτη σύμφωνα με την ακουστική. Παρουσιάζεται βήμα βήμα η δημιουργία και η εξέλιξη του απαιτούμενου κώδικα, καθώς και ο τρόπος με τον οποίο καταλήγουμε στα συμπεράσματά μας. Τα κυριότερα σημεία των προγραμμάτων που δημιουργήθηκαν παρουσιάζονται στο παράρτημα. / This paper uses Matlab in order to simulate acoustic systems. We have a music stage with given dimensions. We calculate the amount SPL using two monitors and a system of a microphone and a source. The result is to find the better acoustic way to use the two monitors in the stage.

Les microphones sont des capteurs qui permettent à nos systèmes électroniques de prendre connaissance de notre environnement acoustique en fournissant un signal électrique représentatif des vibrations de l’air. Ils sont employés dans la plupart des systèmes multimédia, mais aussi dans les appareils auditifs. Dans l’implant auditif, le microphone se substitue à l’oreille humaine capable de détecter des pressions acoustiques variants de quelque μPa à quelques Pa. Les microphones, sont en général accompagnés d’un circuit électronique spécifique qui permet leur exploitation au coeur d’un système hétérogène. Depuis les toutes premières transductions acoustique-électriques, le microphone a été perfectionné avec la mise en oeuvre de nouveau principes de transduction et l’élaboration de circuit de conditionnement plus performants. Dernièrement, l’introduction de la technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) a permis de réaliser des microphones extrêmement compacts et peu couteux. Ces travaux de recherches concernent la réalisation d’un circuit électronique dédié à l’exploitation d’un transducteur M&NEMS (Micro & Nano Electro Mechanical Systems) survenant comme une évolution du MEMS. Pour commencer l’étude, le principe de transduction et l’application du microphone sont étudiés. Les circuits existants sont examinés en détail et adaptés au transducteur M&NEMS. Les résultats potentiels sont discutés et situés dans l’application. Dans un second temps, un circuit de conditionnement spécifique est proposé. Les résultats sont présentés puis le circuit électronique dédié est intégré sur silicium. Les performances des blocs fonctionnels intégrés sont mesurées et présentées. / Microphones are sensors which allow gauging acoustic environment through an electric representation of vibrations in the air. They can be found in most multimedia equipment and in hearing aids. In this particular application, microphone substitutes a human ear which is able to sense pressure level of sound ranging from a μPa to few Pa. The read-out circuit of microphones converts physical signal from transducer into electronic signals that can be used in any heterogeneous system involving audio processing. Transducers of microphones have known successive generation of improvement. The latest refinement is related to the emergence of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology which is suitable to build compact sensor. This thesis explores the design of a readout-circuit using an innovative M&NEMS (Micro & Nano Electro Mechanical Systems) technology derived from MEMS. The thesis is structured beginning with review of existing circuits for M&NEMS microphone. A comparative study is reported considering the proposed technical specifications using simulations and a prototype was realized using discrete components. In the second phase, an innovative circuit was proposed as an ASIC solution targeting M&NEMS technology developed at CEA-LETI. The performance evaluation and the physical measurements of the proposed ASIC are detailed.

Masters of Science / This research investigates the creation of an audio-shape recognition system that is able to interpret a user’s drawn audio shapes—fundamental shapes, digits and/or letters— on a given surface such as a table-top using a generic stylus such as the back of a pen. The system aims to make use of one, two or three Piezo microphones, as required, to capture the sound of the audio gestures, and a combination of the Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCC) feature descriptor and Support Vector Machines (SVMs) to recognise audio shapes. The novelty of the system is in the use of piezo microphones which are low cost, light-weight and portable, and the main investigation is around determining whether these microphones are able to provide sufficiently rich information to recognise the audio shapes mentioned in such a framework.

This Master´s thesis deals with sound apparatus. The first part is a theoretical explanation of the main part of the equipment, such as microphones, amplifiers, proofreaders, switches and speakers. Another section is devoted to the design itself, starting with the block diagram which is followed by the design of single important parts. These are made as PCB. For select-ed diagrams there is an example of PSpice program simulations and the measurement of important characteristics. The essential part of the work also addresses constructional pro-cessing of apparatus. At the end of this thesis some examples of the PCB are introduced.

Quality control and quality assurance of pavements is today primarily based on core samples. Air void content and pavement thickness are parameters that are evaluated. However, no parameter connected to the stiffness is evaluated. There is a need for fast and reliable test methods that are truly non-destructive in order to achieve an effective quality control and quality assurance of pavements. This licentiate thesis presents surface wave testing using air-coupled microphones as receivers. The measurements presented in this work are performed in order to move towards non-contact measurements of material stiffness. The non-contact measurements are compared to conventional accelerometer measurements in order to compare the noncontact measurements to a “reference test”. The two appended papers are focused on evaluating one parameter in each paper. In the first paper all equipment needed to perform non-contact measurements are mounted on a trolley in order to enable measurements while rolling the trolley forward. It is shown that rolling measurements can provide rapid and reliable measurements of the Rayleigh wave velocity over large areas. However, the measurements are shown to be sensitive to misalignments between the microphone array and the measured surface. An uneven surface can thus cause major errors in the calculated results. The second paper presents an alternative method to evaluate the thickness resonance frequency of a concrete plate. It is demonstrated how the established Impact Echo method can give erroneous results when aircoupled microphones are used as receivers. Instead a method based on backward wave propagation is introduced. It is demonstrated how waves with negative phase velocities can be identified in a narrow frequency span close to the thickness resonance. / <p>QC 20141128</p>

Nous étudions le problème général du traitement d'antennes de microphones dans des environnements contenant du bruit diffus. Ce problème a plusieurs applications incarnées par le rehaussement et la reconnaissance robuste de la parole. Du bruit diffus provenant de nombreuses directions à la fois est souvent rencontré dans les situations réelles et il forme un obstacle majeur à l'application des techniques existantes de localisation et de réhaussement de sources. Nous opérons dans le domaine temps-fréquence, où la cible et le bruit sont gaussiens de moyenne nulle et modélisés par leurs matrices de covariance. Premièrement, nous introduisons un modèle général de sous-espace linéaire de la matrice de covariance du bruit qui généralise trois modèles de l'état de l'art et nous proposons un quatrième modèle de covariance à valeur réelle plus flexible. Nous mesurons expérimentalement l'adéquation de ces modèles à des signaux de bruits réels. Deuxièmement, nous appliquons ce modèle général à la tâche de débruitage pour une cible de vecteur de direction connu. Dans l'approche de l'état de l'art par formation de voies et post-filtrage de Wiener, il est essentiel d'estimer précisément le spectre de puissance à court terme de la cible. Nous proposons un algorithme pour l'estimation de ce spectre basé sur la projection de la matrice de covariance observée sur le complément orthogonal du sous-espace de la matrice de covariance du bruit. La composante résultant de cette projection est idéalement non contaminée par le bruit, ce qui permet une estimation plus précise du spectre de puissance de la cible. Nous évaluons expérimentalement la performance de débruitage avec des signaux de bruits réels. Troisièmement, nous étudions la tâche de localisation de sources multiples. Afin d'atténuer la dégradation de performance de l'algorithme de l'état de l'art MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) en présence de bruit diffus, nous estimons la matrice de covariance de la cible et appliquons MUSIC à cette matrice. Cette estimation repose sur la composante non bruitée de la matrice de covariance de la cible estimée ci-dessus par projection et sur la reconstruction de la composante manquante par des techniques de complétion de matrice. Nous proposons deux algorithmes alternatifs basés sur une approximation de rang faible et sur la minimisation de la norme trace en exploitant le faible rang et la nature hermitienne définie semi-positive de la matrice de covariance du signal. Nous comparons la performance de ces deux algorithmes pour les quatre modèles de bruit sur un corpus que nous avons créé. Enfin, nous présentons un algorithme général pour le débruitage d'une source cible dont le vecteur de direction est inconnu. Cette tâche est importante dans un environnement réel, car le vecteur de direction n'est généralement pas connu précisément en pratique. Nous estimons conjointement le vecteur de direction et le spectre de puissance à court terme de la cible pour effectuer la formation de voies et le post-filtrage de Wiener. L'estimation repose sur une complétion de matrice de rang 1 et sur une analyse en composantes principales (ACP). L'algorithme proposé améliore la rapport signal-à-bruit (RSB) de 7 dB environ par rapport à l'algorithme de l'état de l'art d'analyse en vecteurs indépendants (AVI).

An aluminum NACA 0018 airfoil testbed was constructed with 95 static pressure taps and 25 embedded microphones to enable novel time-resolved measurements of surface pressure. The main objective of this investigation is to utilize time-resolved surface pressure measurements to estimate salient flow characteristics in the separated flow region over the upper surface of an airfoil. The flow development over the airfoil was examined using hot wire anemometry and mean surface pressure for a range of Reynolds numbers from 80x103 to 200x103 and angles of attack from 0° to 18°. For these parameters, laminar boundary layer separation takes place on the upper surface and two flow regimes occur: (i) separation is followed by flow reattachment, so that a separation bubble forms and (ii) separation occurs without subsequent reattachment. Measurements of velocity and mean surface pressure were used to characterize the separated flow region and its effect on airfoil performance using the lift coefficient. In addition, the transition process and the evolution of disturbances were examined. The lift curve characteristics were found to be linked to the rate of change of the separation, transition, and reattachment locations with the angle of attack. For both flow regimes, transition was observed in the separated shear layer. Specifically, the amplification of disturbances within a band of frequencies in the separated shear layer resulted in laminar to turbulent transition. Validation of time-resolved surface pressure measurements was performed for Rec = 100x103 at α = 8° and α = 12°, corresponding to regimes of flow separation with and without reattachment, respectively. A comparative analysis of simultaneous velocity and time-resolved surface pressure measurements showed that the characteristics and development of velocity fluctuations associated with disturbances in the separated shear layer can be extracted from time-resolved surface pressure measurements. Specifically, within the separated flow region, the amplitude of periodic oscillations in the surface pressure signal associated with disturbances in the separated shear layer grew in the streamwise direction. In addition, the frequency at the spectral peak of the amplified disturbances in the separated shear layer was identified. Based on the results of the validation analysis, time-resolved surface pressure measurement analysis techniques were applied for a Reynolds number range from 60x103 to 130x103 and angles of attack from 6° to 16°. Within the separated flow region, the streamwise growth of surface pressure fluctuations is distinctly different depending on the flow regime. Specifically, within the separation bubble, the RMS surface pressure fluctuations increase in the streamwise direction and reach a peak just upstream of the reattachment location. The observed trend is in agreement with that observed for other separating-reattaching flows on geometries such as the forward and backward facing step and splitter plate with fence. In contrast to the separation bubble formation, when the separated shear layer fails to reattach to the airfoil surface, RMS surface pressure fluctuations increase in the streamwise direction with no maximum and the amplitude is significantly lower than those observed in the separation bubble. Surface pressure signals were further examined to identify the frequency, convective velocity, and spanwise uniformity of disturbances in the separated shear layer. Specifically, for both flow regimes, the fundamental frequency and corresponding Strouhal number exhibit a power-law dependency on the Reynolds number. Based on the available data for which velocity measurements were obtained in the separated flow region, the convective velocity matched the mean velocity at the wall-normal distance corresponding to the maximum turbulence intensity. A distinct increase in the convective velocity of disturbances in the separated shear layer was found when the airfoil was stalled in comparison to that found in the separation bubble. From statistical analysis of surface pressure signals in the spanwise direction, it was found that disturbances are strongly two-dimensional in the laminar portion of the separated shear layer and become three-dimensional through the transition process.