Wave digital models of nonlinear piezoelectric loudspeakers

Over the past few years, both research and market interest has been geared toward the study of piezoelectric (PE) transducers, with the aim of integrating them as flat-panel loudspeakers in consumer electronics devices. In fact, thanks to their small-size dimensions, such transducers well suit the miniaturization process that characterizes the market. Until now, however, PE devices were mostly considered as linear objects, neglecting the nonlinearity affecting the transduction process or the mechanical structure. In this thesis, we propose different nonlinear models of piezoelectric loudspeakers, with the ultimate aim of integrating them into audio signal processing algorithms for the compensation and linearization of their acoustic response. We consider as modeling framework that of Wave Digital Filters, as they recently showed good performance in the context of audio signal processing. We study and analyze both mechanical and electrical nonlinearities, and we find proper electrical models for encompassing them into reference circuital models. The accuracy of the Wave Digital implementations is then proved by means of a comparison with Mathworks Simscape simulations. The proposed models pave the way toward the accurate modeling of piezoelectric loudspeakers, and can be employed into algorithms that leverage the physics of the device, such as circuit-based inversion algorithms.

Nel corso degli ultimi anni l’interesse della ricerca e del mercato si è orientato verso lo studio di trasduttori piezoelettrici con l'obiettivo di integrarli nei dispositivi di elettronica di consumo come altoparlanti flat-panel. Grazie alle loro dimensioni contenute, questi trasduttori si adattano bene al processo di miniaturizzazione che sta caratterizzando il mercato. Ad oggi, tuttavia, i dispositivi piezoelettrici sono trattati principalmente come oggetti lineari, ignorando le non-linearità che caratterizzano il processo di trasduzione o la struttura meccanica. In questa tesi, vengono proposti diversi modelli non-lineari di altoparlanti piezoelettrici con l'obiettivo di integrarli in algoritmi per la linearizzazione e compensazione della loro risposta acustica. Avendo mostrato ottimi risultati nel campo dell'elaborazione del suono, il framework scelto per la modellazione è quello dei Wave Digital Filters. Sono studiate ed analizzate le non-linearità sia di natura elettrica che meccanica e sono proposti dei modelli elettrici da integrare in noti circuiti di riferimento. La precisione delle implementazioni in Wave Digital è verificata attraverso un confronto con le simulazioni dei circuiti in Mathworks Simscape. I modelli proposti aprono la strada ad una modellazione sempre più precisa degli altoparlanti piezoelettrici e possono essere inoltre utilizzati in algoritmi che sfruttano la fisica dei dispositivi come, ad esempio, gli algoritmi di inversione circuit-based.