Haut-parleurs en élastomères diélectriques : modèles, expériences et optimisation

Dielectric elastomer loudspeakers : models, experiments and optimization

• Auteur / Autrice : Emil Garnell
• Direction : Olivier Doaré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 06/11/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles
• Jury : Président / Présidente : Herbert Shea
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Job, Laurence Bodelot, Corinne Rouby
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Morvan Ouisse, Jean-François Deü

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique

Haut-parleurs

Mots clés libres

Élastomères diélectriques

Haut-Parleurs

Électroacoustique

Vibroacoustique

Transducers

Vibroacoustics

Loudspeakers

Dielectric elastomers

Résumé

Les élastomères diélectriques sont des matériaux actifs souples capables de grandes déformations sous chargement électrique. Ils sont constitués d’une fine membrane d’élastomère (en général en silicone ou en acrylique), recouverte de chaque côté par des électrodes souples et étirables. L’ensemble a une épaisseur de l’ordre de 100 microns. Lorsqu’une tension électrique est appliquée entre les électrodes, la membrane se comprime et sa surface peut augmenter de plus de 100%.Ce principe de conversion électromécanique peut être utilisé pour réaliser des haut-parleurs. Des prototypes ont été développés par plusieurs groupes de recherche, et des modèles ont été proposés pour évaluer leurs performances.Une caractéristique intrinsèque des haut-parleurs en élastomères diélectriques est leur nature multiphysique. En effet, le mécanisme d'actionnement est lui-même un couplage entre électrostatique et mécanique; la membrane est très fine et légère, et se couple ainsi fortement à l'acoustique car l’air est lourd par rapport à la membrane; et enfin la résistivité des électrodes engendre un couplage entre l'électro-dynamique et la mécanique.Les modèles proposés jusqu’alors ne considéraient pas l’ensemble de ces couplages, limitant leur utilisation à des estimations qualitatives. Dans cette thèse, un modèle multiphysique de haut-parleurs en élastomères diélectriques est mis en place, afin de permettre l’optimisation de leurs performances acoustiques, en terme de réponse en fréquence, niveau rayonné, et directivité.Les couplages forts entre électrostatique, dynamique membranaire, acoustique, et électrodynamique sont étudiés à l’aide d’un modèle par éléments finis dans FreeFEM. Ce modèle est validé par des comparaisons avec des mesures dynamiques et acoustiques, et ensuite utilisé pour améliorer les performances du prototype, en travaillant sur plusieurs plans : optimisation de l’excitation, filtrage, amortissement, et contrôle.

Dielectric elastomers are soft active materials capable of large deformations when activated by a high voltage. They consist of a thin elastomer membrane (generally made of silicone or acrylic), sandwiched between compliant electrodes. The thickness of the assembly is about 100 microns. When a high voltage is applied between the electrodes, the membrane is squeezed between the electrodes, and increases in area by up to 100%.This electromechanical conversion principle can be used to build loudspeakers. Prototypes have been developed and tested by several research groups, and models have been proposed to estimate their performance.An intrinsic characteristic of dielectric elastomer loudspeakers is their multi-physic nature. Indeed, the actuation mechanism is itself a coupling between electrostatics and mechanics; the membrane is very thin and light, and couples therefore strongly with the surrounding air which is comparatively heavy; and finally the electrode electrical resistivity induces a coupling between electrodynamics and mechanics.The models proposed so far did not consider all of these couplings together, which limited their use to qualitative estimations. In this thesis, a multi-physic model of dielectric elastomer loudspeakers is set-up, in order to optimize their acoustic performances, in terms of frequency response, radiated level, and directivity. The strong couplings between electrostatics, membrane dynamics, acoustics and electrodynamics are studied with a finite element model in FreeFEM. This model is validated by dynamical and acoustical measurements, and then used to improve the performances of the prototype, by working on several levels: optimisation of the excitation, filtering, damping and control.