Exploring Microphone Port Design with Acoustic Simulations and Experiments

Abstract

The aim of this Master’s thesis project was to investigate whether it would be possible to simulate, using either Boundary Element Method (BEM) or Lumped Element Method (LEM) modelling, how microphone port design impacts an embedded microphone’s ability to capture sound accurately.

The project utilized Design of Experiments (DoE) methodology. Key design parameters impacting the performance of an embedded microphone were identified and studied. To validate simulation models, physical models were made and measured using a logarithmic sin wave sweep, resulting in comparable frequency response graphs. In the comparable frequency response graphs key performance parameters such as resonance frequency and quality factor of the resonance peaks could be studied.

By comparing and analyzing the frequency response graphs between the physical and simulated models, it was found that BEM modelling could be used to anticipate how microphone port parameters such as port length, diameter, and if the opening of the port is conical or not, affected the occurrence of internal resonance frequencies within the port, which in turn affects the microphone’s ability to capture sound accurately. However, the quality factor of the peaks was more difficult to simulate and will require further investigation.

In this project LEM was found to not be appropriate for this type of simulation as it requires great knowledge of electroacoustics, geometrical impacts, and of the usage of the simulation software Akabak, making it a difficult tool to use and therefore at risk of not being used in the future. Furthermore, the measurement results on how acoustic protective meshes affected the microphone’s ability to capture sound were inconsistent. Due to this, simulations of the acoustic protective mesh were not possible to validate and were therefore left out from the final assessment.

Popular Abstract (Swedish)

Går det att simulera hur en mikrofonport påverkar en inbyggd mikrofons ljudupptagningsförmåga?

Det kan vara komplicerat att förstå hur utformningen på en mikrofonport påverkar ljudet som en mikrofon uppfattar, även de minsta förändringarna påverkar!

Mikrofonporten är den lilla öppningen i höljet av en produkt, så som en telefon eller dator, som tillåter ljudvågor att nå produktens inbyggda mikrofon från den fria luften. Trots portens relativt simpla funktion så är den inte så enkel att designa som man kan tro! Anledningen till detta är mikrofonporten har en betydande inverkan på den inbyggda mikrofonens förmåga att uppfatta ljud korrekt, detta då geometrin påverkar hur ljudvågor sprids och förstärks innan de når mikrofonen. I många företag innebär detta att ingenjörerna som jobbar på en ny produkt får ta fram flera olika varianter på mikrofonportar och helt enkelt testa hur dessa påverkar mikrofonen, något som kan vara både tidskrävande och dyrt för företaget. För att göra denna process enklare och snabbare har vi i detta exjobb undersökt om man kan datorsimulera med hjälp av tredimensionella modeller hur mikrofonportar påverkar en mikrofons ljudupptagningsförmåga.

För att möjliggöra detta, undersöktes först vilka detaljer på en port som ofta förändras mellan olika produkter samt hur man kan mäta en mikrofonens ljudupptagningsförmåga. Vi kom då fram till att de detaljer som oftast ändras är mikrofonportens längd, diameter, om öppningen är konisk eller ej, samt om det finns ett skyddande membran framför mikrofonen eller ej. För att bedöma hur ljudet låter i en mikrofon kan man titta på uppmätta värden relaterade till hur en mikrofon uppfattar ljud för olika toner, även kallat ett frekvenssvar. Från frekvenssvaret kan man ta fram resonansfrekvens och kvalitetsfaktor. Resonansfrekvensen är den ton som resulterar i den största förstärkningen av inkommande ljudvågor i mikrofonporten och då förvränger mikrofonens ljudupptagningsförmåga. För bästa ljudkvalitet vill man minimera chansen att detta sker i intervallet av toner man vill kunna fånga med hjälp av mikrofonen. Kvalitetsfaktorn beskriver hur skarpt de högsta tonerna upplevs, vilket bland annat påverkas av hur mycket akustiskenergi som förloras genom friktion och värme i mikrofonporten. För att ljudet ska vara behagligt att lyssna på vill man ha en låg kvalitetsfaktor.

För att undersöka möjligheten att simulera hur detaljerna nämnda tidigare påverkar en inbyggd mikrofon ljudupptagningsförmåga, gjordes prototyper både i verkligheten och i datorbaserat simuleringsprogram. Totalt testades 16 olika portdesigns där längd, diameter, konisk öppning samt skyddande membran varierades. Både de fysiska prototyperna och de simulerade testades identiskt och frekvenssvaren för mätningarna jämfördes. Resonansfrekvens och kvalitetsfaktor undersöktes extra noggrant.

Baserat på undersökningen kunde vi se att det gick att simulera hur längd, diameter och om öppningen är konisk eller påverkar resonansfrekvensen. Kvalitetsfaktor skiljde lite, detta beror troligtvis på att simuleringsmodellen ej tog hänsyn till alla energiförluster. Tyvärr var de fysiska mätningarna för hur det skyddande membranet påverkade väldigt svårtolkade och detta ledde till problematik med simulering av membranet. Som sammanfattning ser vi att man behöver fortsätta undersöka hur ytterligare faktorer påverkar som material eller hur olika mikrofoner kan simuleras, men detta resultat ger tydliga bevis på att man kan förutse i stora penseldrag hur en mikrofonport påverkar en mikrofons ljudupptagningsförmåga och kan användas som ett verktyg i framtida produktutvecklingsprocesser

• author: Nilsson, Elias and Hermansson, Hugo
• supervisor: Joze Tavcar
• organization: Innovation
• alternative title: Undersökning av mikrofonportars utformning med hjälp av akustiska simuleringar och experiment
• course: MMKM10 20251
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Microphone port design, Boundary Element Method, Lumped Element Method, frequency response, Design of Experiments, Acoustic simulation
• language: English
• id: 9195338
• date added to LUP: 2025-06-09 14:04:33
• date last changed: 2025-06-09 14:04:33