Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην δημιουργία ενός σύγχρονου και ευέλικτου προγράμματος σε περιβάλλον Matlab, το οποίο θα επιτυγχάνει την ορθή και λεπτομερή προσομοίωση της λειτουργίας των συστοιχιών ηχείων, μέσω της αναπαράστασης της στάθμης ηχητικής πίεσης (SPL) και των διαγραμμάτων κατευθυντικότητας, και το οποίο θα είναι εύκολο στη χρήση και φιλικό προς τον χρήστη μέσω ενός γραφικού περιβάλλοντος το οποίο θα δημιουργηθεί επίσης στο Matlab. Στην εργασία παρούσιαζονται τόσο τα στοιχεία που αποτελούν και συνθέτουν μια συστοιχία ηχείων όσο και οι μετάβλητές που επηρεάζουν την απόδοση λειτουργίας της. Παρουσιάζεται βήμα βήμα η δημιουργία και η εξέλιξη του απαιτούμενου κώδικα καθώς και επεξηγήσεις για την λειτουργία και τον τρόπο χρήσης του. Μέσω πολύπλοκων εξισώσεων γίνεται δυνατή η πλήρης και ακριβής προσομοίωση των συστοιχιών και επακόλουθα η εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων όσον αφορά τον τρόπο λειτουργίας τους, τις μεταβλήτές αλλά και τον τρόπο που αυτές επηρεάζουν την στάθμη ηχητικής πίεσης (SPL) των συστοιχιών καθώς και για τον τρόπο βελτιστοποίησης της απόδοσης μιας συστοιχίας. Η ενσωμάτωση του εν λόγω κώδικα σε ένα χρήσιμο και εύχρηστο γραφικό περιβάλλον, κάνει το εν λόγω πρόγραμμα ιδανικό για την μελέτη της συμπεριφοράς των συστοιχιών ηχείων κάτω απο οποιεσδήποτε συνθήκες. / This project presents a modern and flexible program which was created in a Matlab environment and which simulates in great detail the function of loudspeaker arrays through the representation of the Sound Pressure Level (SPL) and the Directivity Functions of all kind of loudspeaker arrays. This program is extremely user friendly since it has been embedded in a Graphic User interface, which was also created in a Matlab environment. In the project are presented the elements of which a loudspeaker array is comprised off and the different variables that affect its performance. There is a step by step presentation of the creation process and the evolution process of the Matlab code as well as instructions for the way of use of the final program. Through complex equations, it is possible to fully simulate the function of loudspeaker arrays with great detail and thus to extract very useful conclusions about their function, and the way that various variables affect their Sound Pressure Level in order to optimize their performance. The embendment of this program in an easy to handle graphic user interface, makes it ideal for the study and research of the behavior of loudspeaker arrays under any circumstances.

Αντικείμενο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η σχεδίαση, εξομοίωση και υλοποίηση συστήματος οδήγησης ψηφιακής συστοιχίας ηχείων με 5-bit PCM και 1-bit Σ-Δ σήματα εισόδου, δια μέσω διαφορετικών τεχνικών ανάθεσης των bits της πληροφορίας σε κάθε ηλεκτροακουστικό μετατροπέα της συστοιχίας, και ο υπολογισμός της απόκρισης πλάτους της συστοιχίας και των THD και THD+N σε διάφορες θέσεις ακρόασης. Τέλος γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ εξομοίωσης και υλοποίησης. / The object of this thesis is the design, simulation and implementation of a system driving a digital transducer array loudspeaker with 5-bit PCM and 1-bit Sigma-Delta input signals, by applying different bit allocation methods on the transducers of the array, and the calculation of the array's amplitude response, THD and THD+N at different positions. Finally, simulation and implementation results are contrasted.

Στη Διδακτορική Διατριβή αναλύονται ζητήματα που αφορούν την ασύρματη μετάδοση καθώς και την απευθείας εκπομπή ψηφιακών ηχητικών σημάτων με σκοπό την βελτιστοποίηση των τεχνικών αυτών. Ως προς τo σκέλος της ασύρματης μετάδοσης, η διατριβή εστιάστηκε σε δίκτυο WLAN με υποστήριξη QoS. Για την μελέτη του συστήματος διεξήχθησαν δοκιμές χρησιμοποιώντας πρωτότυπη πλατφόρμα που επιτρέπει την μετατροπή ηχητικών ροών για την εισαγωγή τους και εξαγωγή τους σε εφαρμογή εξομοίωσης δικτύου ώστε να αξιολογηθεί η πιστότητα ηχητικής αναπαραγωγής. Η ανάλυση του συστήματος οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπης τεχνικής για τον συγχρονισμό διακριτών καναλιών αναπαραγωγής, που μπορεί να εφαρμοστεί με χρήση τυπικού υλικού WLAN καθώς και πρωτότυπου αλγορίθμου για την συγκάλυψη ακουστών παραμορφώσεων που ενδεχομένως εισάγονται κατά τη μετάδοση. Επίσης, στη διατριβή εισάγονται αποτελέσματα με νέες μεθόδους που σχετίζονται με τη μελέτη Μοναδιαίων Συστοιχιών Ψηφιακής Εκπομπής που οδηγούνται από σήμα Σίγμα-Δέλτα ενός ψηφίου, όπως στο πρότυπο DSD. Η προσέγγιση βασίζεται σε πρωτότυπο αλγόριθμο αντιστοίχησης ροής ενός ψηφίου σε στοιχεία ακουστικής εκπομπής και παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα, ως προς την επιτυγχανόμενη πιστότητα και κατευθυντικότητα, όσο και στην δυνατότητα υλοποίησης. Ο σχεδιασμός και η λειτουργία πρωτοτύπου ψηφιακού ηχείου Σίγμα-Δέλτα τεκμηριώνουν τη θεωρητική ανάλυση ενώ οι μετρήσεις που ελήφθησαν από την κατασκευή βρίσκονται σε αντιστοιχία με τις αναμενόμενες από αντίστοιχες εξομοιώσεις, αλλά διάφοροι πρακτικοί περιορισμοί οδηγούν σε ηχητική πιστότητα κατώτερη της αναμενόμενης. / The dissertation analyzes issues concerning the wireless transmission and the direct emission of digital audio signals, in order to optimize these techniques. Regarding the wireless transmission, the dissertation focuses on the WLAN family of networks, supporting QoS. In order to study the system, trials were conducted using a novel platform that allows the conversion of audio streams for them to be imported an exported from a network simulation application, facilitating the final audio playback fidelity estimation. The above analysis led to the development of a prototype technique for the synchronization of discreet reproduction channels that can be implemented using typical WLAN hardware, as well as a prototype algorithm for concealing audible distortion that might be added during the transmission. Moreover, results using new methods relating to the study of Unary Digital Transmission Arrays driven by one-bit Delta-Sigma signals, as in the DSD standard, are introduced in the dissertation. The approach is based on a prototype algorithm for mapping a one-bit stream to the acoustic transmission elements and exhibits important advantages, namely increased fidelity and improved directivity, as well as ease of implementation. The design and operation of the prototype digital Delta-Sigma speaker substantiates the theoretical analysis, while the measurements obtained from the device are in accordance with what expected from respective simulations. However, various practical limitations lead to lower than expected acoustic fidelity.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στη μελέτη συστημάτων ακουστικής εκπομπής για απευθείας αναπαραγωγή ψηφιακού ήχου. Η ερευνητική διαδικασία βασίστηκε στον προσδιορισμό και βελτίωση των δυνατοτήτων δύο διαφορετικών υλοποιήσεων ακουστικής μετατροπής: i. Ένα υβριδικό πρωτότυπο θερμοακουστικό στοιχείο και ii. Μια συστοιχία 32 ηλεκτροδυναμικών μεγαφώνων σχεδιασμένη, ώστε να αναπαράγει ψηφιακά ηχητικά σήματα. Η θερμοακουστική μετατροπή προσφέρει μια εναλλακτική τεχνική για υλοποιήσεις ακουστικών στοιχείων. Είναι βασισμένη στο μετασχηματισμό των διακυμάνσεων της θερμικής ενέργειας σε ακουστικό κύμα που προκαλούνται από τη ροή του ηλεκτρικού σήματος ήχου σε μια συσκευή στερεάς κατάστασης που λειτουργεί χωρίς τη χρήση οποιουδήποτε κινούμενου τμήματος ή μηχανισμού. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής ηχητικής αναπαραγωγής, μελετάται με τη χρήση ενός πρωτότυπου μετατροπέα ο οποίος αναπτύχθηκε πάνω σε πλακέτα κρυσταλλικού πυριτίου (silicon wafer). H απόδοση της συσκευής αυτής βελτιώνεται ιδίως όσον αφορά στις μη γραμμικές παραμορφώσεις που προσθέτει ο φυσικός μηχανισμός κατά την αναπαραγωγή των ακουστών συχνοτήτων. Για τις ανάγκες της ερευνητικής μελέτης κατασκευάσθηκε εξειδικευμένο στάδιο οδήγησης, ενώ επίσης αναπτύχθηκαν εργαλεία που προσομοιώνουν την απόδοση αυτών των συσκευών. Οι ψηφιακές συστοιχίες μεγαφώνων (DLAs) σήμερα βασίζονται σε μικρούς μετατροπείς κινούμενου πηνίου για την ανακατασκευή ακουστικών σημάτων από ροές ψηφιακού ήχου. Τα σημαντικά ζητήματα απόδοσης για τα συστήματα αυτά αναλύονται από την παρούσα διατριβή, με στόχο να ερμηνευθεί η απόκριση συχνότητας και οι ρυθμοί των διακριτών (on/off) μεταβάσεων των μεγαφώνων, εξαιτίας των ψηφιακών σημάτων. Λεπτομερείς προσομοιώσεις που επιτρέπουν την πραγματοποίηση συγκρίσεων για μια πανομοιότυπη συστοιχία 32 μετατροπέων η οποία τροφοδοτείται από αναλογικά σήματα, σε παρόμοια τοποθέτηση και ενεργοποίηση των στοιχείων. Οι μελέτες αυτές παράγουν πρωτότυπα αποτελέσματα για τις απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια και την ευαισθησία της συστοιχίας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι αυτά τα δύο συστήματα επιτυγχάνουν συγκρίσιμες επιδόσεις. / The present Phd Thesis is focused on the study of acoustic transduction systems for direct digital audio signal emission. The research process was based on the evaluation and optimization of the behavior of two different implementations: i. A novel hybrid thermoacoustic device and ii. A loudspeaker array consisting of 32 moving coil speakers designed for digital audio reproduction. Thermoacoustic transduction offers an alternative technique for transducer implementations, based on the transformation of thermal energy fluctuations into sound after the direct application of the electrical audio signal on a solid state device which operates without the use of any moving/mechanical components. Here, an implementation of this sound generation technique is studied based on a prototype developed on silicon wafer and its performance is optimised, especially with respect to non-linear distortions within the audio band. For the purposes of the research study a specialised driving circuit was constructed and also the appropriate tools were developed to simulate the performance of these devices. Digital loudspeaker arrays currently are based on small moving-coil speakers to reconstruct acoustic signals out of binary audio streams. An overview of significant performance issues for such systems is given here to explain frequency response and speaker discrete transition rates due to the digital data. Detailed simulations provided comparisons for a 32-speaker DLA with similar arrangements of speakers driven by analogue signals. These tests produce novel results for electrical power requirements and array sensitivity, concluding that these two systems achieve comparable performance.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.