Thesis defence of Adrien De Giovanni (CDSI team): Design of a piezoelectric micro-actuator for extra-auricular earphones

Adrien DE GIOVANNI - CDSI team

Composition of the jury
Skandar BASROUR - Thesis director - Full professor - Université Grenoble Alpes / TIMA
Alain GIANI - Rapporteur - Full professor - Université de Montpellier
Mickaël LALLART - Rapporteur - Full professor - INSA Lyon
Adrien BADEL - Examinator - Full professor - Université Savoie Mont-Blanc
Orphée CUGAT - Examinator - Research director - CNRS
Alain SYLVESTRE - Examinator - Full professor - Université Grenoble Alpes
Rachid JAOUI - Guest - Engineer - Direction Générale de l'Armement
Fabrice CASSET - Guest - Research engineer - CEA Leti (Grenoble)

Title: Design of a piezoelectric micro-actuator for extra-auricular earphones
Keywords: Piezoelectric, Audio, Micro-actuator
Abstract: Currently, most headphones rely on electrodynamic speakers to generate sound pressure waves, which then are transmitted through the aerial pathway to the internal ear of the listener. These last years, extra-auricular headphones which have the advantage of enabling the listener to hear both its surrounding and his audio content have gained in intertest. They mostly rely on electrodynamic actuators to generate sound through vibrations, which are then transmitted via bone and cartilaginous conduction to the internal ear. In order to optimize the actuator integration and efficiency, it is interesting to explore the possibility of using piezoelectric actuation technology instead. The structure of the device itself could become the actuator, thus reducing the total volume of the system, and giving more design flexibility. In this thesis, the objective is to design a piezoelectric micro-actuator for extra-auricular headphones, and in particular for the cartilaginous conduction headphones concept. The actuator is mounted on the listener’s ear pinna which it makes vibrate. The vibrations are then transmitted through cartilaginous conduction to the internal ear. To make a list of specifications, the performance of a reference electrodynamic actuator is analyzed, as well as the available output energy from off-the-shelf battery piezoelectric amplifiers, and the mechanical behavior of the ear pinna. Two design methods to create the desired piezoelectric actuator are put in place in this project. The first uses a simple bimorph slender beam architecture to create both analytical and finite element models. They are validated through experimental measurements and the performance limit of such an architecture is assessed. The second design method introduces the use of a multilayer piezoelectric element for a greater efficiency and power output. Using the analytical and finite element models, the structure to bond with the piezoelectric element is designed and made. Through experimental measurements, the better performance of the created piezoelectric actuator is confirmed. Then, a proof-of-concept (POC) is built using two actuators and an available battery powered piezoelectric amplifier. This POC’s intended use is for communication applications restrained to the 300-3400 Hz bandwidth and has a day of use of autonomy. It has received positive subjective feedback from the different listeners who had the opportunity to test it.

Titre : Conception d'un micro-actionneur piézoélectrique pour écouteurs extra-auriculaires
Mots-clés : Piézoélectrique, Audio, Micro-actionneur
Résumé : Actuellement, la plupart des casques reposent sur des haut-parleurs électrodynamiques pour générer des ondes de pression sonore, qui sont ensuite transmises par la voie aérienne à l'oreille interne de l'auditeur. Ces dernières années, les casques extra-auriculaires, qui ont l'avantage de permettre à l'auditeur d'entendre à la fois son environnement et son contenu audio ont gagné en intérêt. Ils s'appuient principalement sur des actionneurs électrodynamiques pour générer des vibrations sonores, qui sont ensuite transmises à l'oreille interne par conduction osseuse et cartilagineuse. Afin d'optimiser l'intégration et l'efficacité de l'actionneur, il est intéressant d'explorer la possibilité d'utiliser la technologie d'actionnement piézoélectrique à la place. La structure du dispositif lui-même pourrait devenir l'actionneur, réduisant ainsi le volume total du système et offrant une plus grande souplesse de conception. Dans cette thèse, l'objectif est de concevoir un micro-actionneur piézoélectrique pour les casques extra-auriculaires, et en particulier pour le concept de casque à conduction cartilagineuse. L'actionneur est monté sur le pavillon de l'oreille de l'auditeur qu'il fait vibrer. Les vibrations sont ensuite transmises par conduction cartilagineuse à l'oreille interne. Pour établir une liste de spécifications, les performances d'un actionneur électrodynamique de référence sont analysées, ainsi que l'énergie de sortie disponible à partir d'amplificateurs piézoélectriques sur batterie disponibles sur le marché, et le comportement mécanique du pavillon de l'oreille. Deux méthodes de conception pour créer l'actionneur piézoélectrique souhaité sont mises en place dans ce projet. La première utilise une architecture simple de poutre élancée bimorphe pour créer des modèles analytiques et des modèles d'éléments finis. Ces modèles sont validés par des mesures expérimentales et la limite de performance d'une telle architecture est évaluée. La seconde méthode de conception introduit l'utilisation d'un élément piézoélectrique multicouche pour une efficacité et une puissance de sortie accrues. À l'aide de modèles analytiques et d'éléments finis, la structure à lier à avec l'élément piézoélectrique est conçue et fabriquée. Des mesures expérimentales confirment les meilleures performances de l'actionneur piézoélectrique créé. Ensuite, un prototype est construit en utilisant deux actionneurs et un amplificateur piézoélectrique alimenté par une batterie. Ce prototype est destiné à des applications de communication limitées à la bande passante 300-3400 Hz et dispose d'une autonomie d'une journée d'utilisation. Il a reçu des réactions subjectives positives de la part des différents auditeurs qui ont eu l'occasion de le tester.