Le Haut-Parleur Digital Matriciel (HPDM) est un moyen de transduction électroacoustique qui reçoit comme entrée un signal numérique et qui effectue la conversion vers l'analogique directement dans l'air. Il est constitué de plusieurs éléments rayonnants disposés au sein d'une matrice. Ces éléments seront désignés par le terme «speaklet» lorsqu'ils sont de tailles réduites. Le rayonnement acoustique du HPDM est en effet très sensible à la taille de la matrice, ce qui le rend tout particulièrement adapté à la technologie MEMS. Cette thèse porte sur l'étude de HPDM MEMS piézoélectriques. Après une introduction qui débute par certaines généralités jusqu'à se focaliser sur le sujet, la thèse aborde les modélisations multiphysiques des HPDM étudiés, le dimensionnement des speaklets puis les tests expérimentaux. Des modèles analytiques ainsi que des simulations numériques et par éléments finis sont mis en place et permettent de prédire le comportement mécanique des speaklets présentés, les pressions rayonnées par les HPDM et les puissances électriques consommées. Les speaklets sont ensuite dimensionnés à partir de l'empilement technologique afin de maximiser le niveau de pression qu'ils génèrent. Des tests expérimentaux permettent alors de valider la majorité des modèles ou au contraire de revenir sur certains d'entre eux pour les optimiser ou montrer leurs limitations. Les résultats ont en effet montré l'importance de la prise en compte des contraintes résiduelles, qui provoquent une déformée initiale des speaklets et modifient leurs fréquences propres, rendant alors l'utilisation de grands rayons inefficaces. En accord avec les modèles, les speaklets possèdent un comportement dynamique linéaire, ce qui permet de les caractériser à l'aide de fonctions de transfert. La théorie et les enregistrements sonores montrent alors qu'un HPDM composé de tels speaklets permet dans le meilleur des cas de produire une pression identique à celle générée par la même matrice pilotée en analogique. Dans notre cas, des taux de distorsions supérieurs ont été obtenus lors des reconstructions digitales, à cause des réponses non uniformes des speaklets, dues à des résistances d'accès différentes. Le HPDM présenté possède cependant d'autres avantages, le plus important étant la très faible consommation électrique qu'il est théoriquement possible d'atteindre en utilisant les méthodes de charges et de décharges adiabatiques. Le HPDM piézoélectrique MEMS apparait donc comme étant une technologie prometteuse. L'optimisation de notre premier prototype à l'aide des outils développés doit en effet conduire à un HPDM capable de générer une pression équivalente à celle obtenue en mode analogique, mais avec un rendement électroacoustique beaucoup plus important. Les futurs travaux devront ensuite se concentrer sur la conception de speaklets non-linéaires et sur la forme du pulse de pression qu'ils génèrent, afin de gagner en niveau sonore. / The Digital Loudspeaker Array (DLA) is an electroacoustic transducer which receives as input a digital signal and performs the analog conversion directly into the air. It consists of a plurality of radiating elements arranged in a matrix. These elements will be designated by the term “speaklet” when they are reduced in size. The acoustic radiation of a DLA is indeed very sensitive to the size of the matrix due to differences in path length, which makes it especially suitable for MEMS technology. This thesis is on the study of a piezoelectric MEMS DLA. After an introduction that is increasingly focused on the subject, the thesis addresses the multiphysics modeling of the DLA, dimensioning of the speaklets and experimental tests. Analytical formulas, numerical simulations and finite element models are developed and used to predict the mechanical behavior of the presented speaklets, the pressure radiated by the DLA and the electrical power consumption. The speaklet are then dimensioned from the technological stack (set in advance) in order to maximize the pressure level. Experimental tests involving the use of an anechoic chamber, an optical interferometer, a vibrometer and an impedancemeter validate most of the models. Otherwise, these tests are usefull for improving some of them or for showing their limitations. The results have shown the importance of the residual stresses, which cause an initial deformation of the speaklets and modify their resonance frequencies, thus rendering ineffective the use of large radii. In accordance with the models, the static deflection of the speaklets is nonlinear but their dynamic behavior is linear. This enables characterizations using transfer functions. Theory and sound recordings show that a DLA made of such speaklets can produce in the best case the same pressure to that generated by the same matrix driven in an analog way. In our case, more distortions were obtained in digital reconstructions because of non-uniform responses of the speaklets, due to different access resistances. However, the presented DLA has other advantages, the most important being the very low power consumption it is theoretically possible to achieve using the adiabatic charge principle. The piezoelectric MEMS DLA thus appears as a promising technology. The optimization of our first prototype using the developed tools should indeed lead to a DLA able to generate an equivalent presure to that obtained with analog control, but with a far greater electroacoustic efficiency. Future work should then focus on the design of nonlinear speaklets and on the shaping of the pulse of pressure they generate, in order to increase the total pressure level.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.