Characterization of small-Size loudspeakers for mobile applications

The market of consumer electronics devices (e.g., smartphones, laptops, etc.) is geared towards thinner and more compact products. On the other hand, manufacturers are having a hard time fitting all the electronics inside smaller cases whilst maintaining comparable performance. As far as loudspeakers are concerned, as an answer to this trend, piezoelectric transducers have been lately considered for replacing dynamic loudspeakers thanks to their promising features, such as low power consumption and small form factor. However, not much literature is available on the topic since such a research field is in its early stage. In this scenario, the characterization and analysis of piezoelectric loudspeakers are in order. In this thesis, we propose a general method for measuring the vibrational response of surfaces excited by electroacoustic transducers. The aim of the work is to provide engineers with a tool to acquire useful information for developing signal processing algorithms and improving the device design. We apply and test the proposed method for the specific case of smartphones equipped with piezoelectric loudspeakers, by implementing the acquisition chain in LabVIEW and the post-processing within MATLAB. We then address also the case of loudspeakers realized by means of piezo-actuated Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS). Such devices, due to their reduced dimensions, are characterized by a non-negligible hysteresis nonlinearity. With the purpose of acquiring valuable knowledge on such a behavior, we propose a general method for measuring hysteresis in small-size transducers. The method is then successfully tested on a piezo-actuated MEMS loudspeaker. The proposed methodologies pave the way toward the design of physics-inspired signal processing algorithms aimed on the one hand at the optimization of the acoustic response of piezoelectric transducers and on the other hand at the compensation of their nonlinear behavior.

Il mercato dei dispositivi elettronici di consumo (ad es. smartphone, laptop, ecc.) è orientato verso prodotti più sottili e compatti. D'altra parte, i produttori hanno difficoltà a montare tutta l'elettronica all'interno di case più piccoli mantenendo le stesse prestazioni. Per quanto riguarda gli altoparlanti, in risposta a questa tendenza, i trasduttori piezoelettrici sono stati recentemente presi in considerazione per sostituire gli altoparlanti dinamici grazie alle loro caratteristiche promettenti, come il basso consumo energetico e il ridotto fattore di forma. Tuttavia, non è disponibile molta letteratura sull'argomento poiché tale campo di ricerca è nella sua fase iniziale. In questo scenario, la caratterizzazione e l'analisi degli altoparlanti piezoelettrici é necessaria. In questa tesi proponiamo un metodo generale per misurare la risposta vibrazionale di superfici eccitate da trasduttori elettroacustici. Lo scopo del lavoro è fornire agli ingegneri uno strumento per acquisire informazioni utili per lo sviluppo di algoritmi di elaborazione di segnali e il miglioramento del design del dispositivo. Applichiamo e testiamo il metodo proposto per il caso specifico di smartphone dotati di altoparlanti piezoelettrici, implementando la catena di acquisizione in LabVIEW e il post-processing in MATLAB. Affrontiamo poi anche il caso di altoparlanti realizzati mediante microelectromechanical systems (MEMS) attuati piezoelettricamente. Tali dispositivi, per le loro ridotte dimensioni, sono caratterizzati da una non linearità isteretica non trascurabile. Allo scopo di acquisire preziose conoscenze su tale comportamento, proponiamo un metodo generale per misurare l'isteresi in trasduttori di piccole dimensioni. Il metodo viene quindi testato con successo su un altoparlante MEMS attuato piezoelettricamente. Le metodologie proposte aprono la strada alla progettazione di algoritmi di elaborazione dei segnali ispirati alla fisica, volti da un lato all'ottimizzazione della risposta acustica dei trasduttori piezoelettrici e dall'altro alla compensazione del loro comportamento non lineare.