Sonos optimise la conception des microphones MEMS pour réduire la distorsion causée par le bruit du vent

Les microphones MEMS sont présents dans une grande variété de produits grand public, notamment les téléphones portables, les ordinateurs et les montres connectées. Si ces capteurs acoustiques miniatures sont capables de traiter des sources sonores très variées en termes de tonalité, de timbre et d’application, la distorsion causée par le bruit du vent s’est avérée être un défi dans leur conception depuis les débuts du développement de cette technologie.

Lutter contre le spectre du bruit du vent

La technologie MEMS offre un rapport signal/bruit élevé qui permet de filtrer certains bruits ambiants, tels que le léger bourdonnement d’un système de climatisation ou les conversations en arrière-plan dans un bureau, mais le bruit du vent introduit souvent un niveau de distorsion qui peut rendre inintelligibles des enregistrements qui seraient autrement clairs. Cette distorsion devient un problème encore plus important pour les appareils électroniques qui reposent sur des assistants vocaux, tels que les smartphones et les systèmes de haut-parleurs, car les perturbations causées par le vent peuvent entraîner des problèmes de fonctionnement.

Afin de réduire cet écueil, l’équipe d’ingénieurs audio de Sonos, Inc. a développé un processus de simulation pour les microphones MEMS pour prédire comment la vitesse du flux transversal influence le spectre du bruit du vent et évaluer l’efficacité de différentes géométries de ports.

Modèle de port microphone utilisé pour analyser les effets du bruit du vent.

L’approche simulation de Sonos

Un microphone convertit l’énergie acoustique en signaux électriques, mais pour le faire correctement, son diaphragme doit être suffisamment ouvert pour que les ondes sonores puissent l’atteindre. La géométrie du port détermine la manière dont le microphone interagit avec l’air en mouvement autour de lui. Afin d’observer le comportement spectral du flux d’air lorsqu’il traverse un système de microphone, l’équipe de Sonos a construit un modèle de microphone dans le logiciel COMSOL Multiphysics^®.

Le modèle est composé d’éléments qui affectent directement les performances acoustiques du microphone — le microphone lui-même, les adhésifs et l’épaisseur du circuit imprimé restant constants tout au long des tests. Le couplage multiphysique Source de l’écoulement aéroacoustique du logiciel a été utilisé pour combiner l’analyse de la dynamique des fluides (à l’aide d’un modèle de simulation aux grandes échelles, ou LES) et l’analyse acoustique (en pression acoustique) afin de calculer le bruit induit par l’écoulement. Le modèle prédit le niveau de pression acoustique total et les spectres de pression au niveau du diaphragme du microphone, en fonction de la vitesse de l’air à l’entrée du microphone et des changements dans la géométrie du port d’entrée.

La simulation consistait en un écoulement d’air traversant le microphone de part en part depuis une entrée et vers une sortie. Lors de chaque test, l’équipe a modifié le diamètre de différents ports cylindriques et coniques du microphone. Les résultats ont suggéré que la forme du port du microphone a effectivement un impact sur le bruit du vent présent dans la cavité du microphone, bien que la forme du port n’ait pas autant d’influence sur les performances en matière de bruit du vent que d’autres facteurs, tels que la grille acoustique. Les résultats ont également prouvé que dans une conception optimisée, la pression au niveau du microphone serait minimale et donc que le bruit capté du vent serait moindre.

De plus, l’équipe a évalué comment les spectres du bruit changeaient en fonction des vitesses de vent suivantes :

• 2.4 m/s
• 3.0 m/s
• 4.0 m/s
• 5.0 m/s

La simulation à 2.4 m/s a donné les niveaux les plus bas, tandis que celle à 5.0 m/s a donné les niveaux les plus élevés, comme prévu. Les résultats concordaient bien avec les prévisions analytiques de l’équipe basées sur la loi d’échelle car la simulation a réussi à saisir le décalage des fréquences de coupure induit par la vitesse.

Niveau de pression acoustique d’une cavité de microphone exposée à un vent de 5.0 m/s.

Vérification expérimentale en laboratoire

La validation des résultats obtenus avec la simulation par rapport à des prototypes réels est une étape cruciale du processus de développement. Pour les besoins de Sonos, une série d’expériences physiques en laboratoire a été menée afin de confirmer les résultats de la modélisation.

L’équipe a généré un écoulement laminaire à travers les ports prototypes afin d’établir une évaluation cohérente et reproductible du vent. Le microphone a été monté de manière à ce que la surface extérieure soit au même niveau que la plaque plane environnante, tandis que l’écoulement était uniquement perpendiculaire au microphone. Plusieurs géométries de ports ont été testées dans cette configuration.

Comparaison des résultats

Les résultats combinés issus des simulations et des expériences en laboratoire ont fourni des informations précieuses, les deux approches confirmant que la vitesse du vent influence largement l’échelle du spectre du bruit du vent. Plus précisément, il a été confirmé que des vitesses élevées modifient la fréquence de décollement. La concordance entre les résultats valide également la capacité du modèle COMSOL^® à saisir les mécanismes physiques dominants à l’oeuvre dans le phénomène de bruit induit par le vent.

Niveau de pression acoustique normalisé pour quatre vitesses de vent pour un port cylindrique.

Cependant, en analysant les effets des différentes géométries des ports, l’équipe s’est rendue compte que contrairement aux résultats de la simulation, les mesures en laboratoire ne montraient que des différences négligeables entre les géométries dans des conditions similaires mais non identiques (par exemple, la simulation incluait une condition de paroi glissante pour simplifier la modélisation, tandis que l’expérience en laboratoire impliquait une condition sans glissement). Cette divergence montre que, bien que le modèle ait offert une représentation fiable des tendances spectrales liées à la vitesse, le degré d’influence de la géométrie sur les couplages aéroacoustiques n’a pas été entièrement pris en compte. Un facteur susceptible d’expliquer la divergence entre le modèle et les résultats du laboratoire est l’exclusion d’une grille acoustique au-dessus du port du microphone dans le modèle COMSOL^®. L’intégration d’une grille acoustique s’est avérée réduire considérablement les fluctuations induites par le vent dans les systèmes réels, ce qui suggère que la modélisation de la grille acoustique pourrait être un ajout essentiel dans les études futures afin d’améliorer la précision des prévisions entre le modèle et l’expérience.

Au final, les ingénieurs audio de Sonos ont conclu que le cadre de modélisation était utile pour orienter dès le début la conception des microphones MEMS, qu’il pouvait aider à identifier les pires scénarios et qu’il pouvait réduire le besoin de prototypes coûteux. Outre les informations fournies sur la relation entre la vitesse d’écoulement et les spectres de bruit du vent, cette étude a également démontré de manière frappante l’importance de valider les résultats et les hypothèses de modélisation.

Pour aller plus loin

Pour plus d’informations sur ces travaux, consultez l’article complet de l’équipe Sonos, qui a remporté le prix du meilleur article lors de la Conférence COMSOL 2025 à Boston ! Cet article présente l’approche de modélisation adoptée par l’équipe et ses résultats.

Pour acquérir une expérience pratique de la modélisation du bruit d’un écoulement au sein d’une cavité dans COMSOL Multiphysics^®, consultez le tutoriel Cavity Flow Noise dans la Bibliothèque d’applications. Vous souhaitez partager vos travaux lors de la prochaine Conférence COMSOL ? Pour en savoir plus, consultez notre page d’accueil de la Conférence COMSOL 2026.