Elektroakustische Systeme wie Lautsprecher, die elektrische Signale in akustische Signale umwandeln, sind heute Eckpfeiler der Kommunikation. Von Mikrotreibern in Kopfhörern und Smartphones über Audiosysteme in Fahrzeugen und Wohnzimmern bis hin zu großen Beschallungsanlagen in öffentlichen Räumen, Kinos und Konzerten sowie zahlreichen technischen Anwendungen sind sie heute ein allgegenwärtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Die gängigsten Lautsprechertechnologien basieren auf elektrodynamischen Wandlern. Seit der ersten Patentierung vor 145 Jahren wurden diese, die notwendige Leistungselektronik sowie die Methoden zur Auslegung und Systembeschreibung im Klein- und Großsignalbereich kontinuierlich weiterentwickelt.
Die Forschung befasst sich aber auch ständig mit alternativen Technologien, die Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben haben können. In diesem Zusammenhang haben dielektrische Elastomere (DE) in den letzten 25 Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Sie versprechen u.a. einen höheren Wirkungsgrad, neuartige Konstruktionen und eine erhebliche Gewichtsreduktion. Zudem können sie aus kostengünstigen Ausgangsmaterialien ohne den Einsatz von Seltenen Erden oder ferroelektrischen Materialien hergestellt werden, was die Abhängigkeit von Rohstoffimporten verringert und neue Anwendungsfelder eröffnet.
Trotz sehr aktiver Forschung und Entwicklung bei Materialien, Design und Herstellung gibt es bisher nur wenige kommerziell verfügbare Aktuatoranwendungen.
Eine grundlegende Voraussetzung für die Etablierung einer Technologie sind standardisierte und nachvollziehbare Methoden zur prädiktiven Systembeschreibung und zum rechnergestützten Systementwurf. Diese sind für DE in dynamischen Anwendungen noch nicht verfügbar.
In dieser Arbeit wird die etablierte Entwurfsmethodik zur prädiktiven Beschreibung kleinsignaliger dynamischer Systeme mit elektromechanischen und akustischen Netzwerken auf dielektrische Elastomere erweitert. Das Kernelement ist die Ableitung der elektromechanischen Wandlermodelle für DE-Längs- und Dickenoszillatoren. Basierend auf dieser Systembeschreibung,
werden Auslegungskriterien für DE-basierte Schallquellen aufgestellt. Der Fokus liegt dabei auf der praktischen Anwendbarkeit und der Generierung von technologischen Vorteilen gegenüber elektrodynamischen Wandlern. Aus diesen Kriterien werden neuartige Wandlerkonzepte in Form von rollenaktorgetriebenen Lautsprechermembranen und unimorphen Membranen entwickelt, analysiert und als Demonstratoren realisiert. Darüber hinaus wird die Leistungselektronik untersucht, auf deren Basis Schaltungen zur Durchführung messtechnischer Untersuchungen und zum Betrieb der Demonstratoren entwickelt und realisiert wurden.
Ziel der Arbeit ist es, Anwendungsentwicklern mit der vorgestellten Entwurfsmethodik einen besseren Zugang zur Technologie zu ermöglichen und so zur Entwicklung von DE-basierten Schallquellen im Speziellen und dynamischen DE-Aktoren im Allgemeinen beizutragen.:1 Introduction 1
2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5
3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9
3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19
3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Power Electronics 37
4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Design of DE Loudspeakers 49
5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61
6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VTable of Contents
6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115
7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Summary and Outlook 129
Appendix 133
A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136
B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138 / Electroacoustic systems such as loudspeakers, which convert electrical signals into acoustic signals, are nowadays cornerstones of communication. From microdrivers in headphones and smartphones, to audio systems in vehicles and living rooms, to large sound reinforcement systems in public spaces, cinemas and concerts, as well as numerous technical applications, they are nowadays a ubiquitous part of everyday life. The most common loudspeaker technologies are based on electrodynamic transducers. Since the first patent 145 years ago, they, the necessary power electronics as well as the methods for design and system description in the small- and large- signal range have been continuously developed.
However, research is also constantly looking at alternative technologies that may have advantages over conventional drives. In this context, dielectric elastomers (DE) have gained increasing attention over the past 25 years. They promise, among other things, higher efficiency, novel designs and considerable weight reduction. Moreover, they can be manufactured from inexpensive starting materials without the use of rare-earths elements or ferroelectric materials, which reduces the dependence on raw materials imports and opens up new fields of application.
Despite very active research and development of materials, designs and fabrication, there are only few commercially available actuator applications so far.
A fundamental requirement for the establishment of a technology are standardized and comprehensible methods for predictive system description and for computer-aided system design. These are not yet available for DE in dynamic applications.
In this work, the established design methodology for the predictive description of smallsignal dynamic systems using electromechanical and acoustic networks is being extended to dielectric elastomers. The core element is the derivation of the electromechanical transducer models for DE longitudinal and thickness oszillators. Based on this system description,
design criteria for DE based sound sources are established. The focus lies on practical applicability and the generation of technological advantages compared to electrodynamic transducers. From these criteria, novel transducer concepts in the form of roll actuator driven loudspeaker diaphragms and unimorph membranes are developed, analyzed and realized as demonstrators. In addition, the power electronics are examined, on the basis of which circuits for carrying out metrological investigations and for operating the demonstrators were developed and implemented.
The goal of the work is to provide application developers with better access to the technology using the presented design methodology and thus contribute to the development of DE-based sound sources in particular and dynamic DE actuators in general.:1 Introduction 1
2 Fundamentals of Dielectric Elastomers 5
3 Electromechanical Network Model of Dielectric Elastomers 9
3.1 Transducer Network Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1 Electrostatic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 Simulative-experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.3 Mechanical Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.4 Determination of the Parameters at the Operating Point . . . . . . . . . 19
3.1.5 Electromechanical Transducer Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Electrical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Operating Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Mechanical Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Power Electronics 37
4.1 Fundamental Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2 Alternative Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Adapted Circuit Designs for Capacitive Loads . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Summing Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Realization of Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1 Coupling Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3.2 Branch to Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3.3 Charging Resistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.4 Additional Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3.5 Implemented Power Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Design of DE Loudspeakers 49
5.1 State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.1 Membrane and Bubble-Loudspeakers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.1.2 Annular Membrane Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.3 Preformed Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1.4 Thickness Oscillators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Fundamental Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3 Proposed Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 DE-Roll Actuator based Loudspeaker Driver 61
6.1 Fundamentals of DERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Stability Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.3 Model Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.3.1 Fundamental Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.4 Construction and Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4.1 PolyPower Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
VTable of Contents
6.4.2 Elastosil Actuator Manufacturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.4.3 Overview of Manufactured Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.5 Measurement Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.5.1 Static Function Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5.2 Electrical Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5.3 Dynamic Electromechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.6 Electromechanical Test Results and Model Updating . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.7 Radial Actuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.8 Acoustic Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.8.1 Acoustic Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.8.2 Selection of loudspeaker diaphragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8.3 Loudspeaker in Closed Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.8.4 Loudspeaker in Vented Cabinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.8.5 Bending Wave Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.9 Acoustic Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.10 Demonstrator Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.11 Considerations towards Large-Signal Behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7 Dielectric Elastomer Unimorph Membrane 115
7.1 Membrane Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.2 Model-based Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.3 Headphones demonstrator construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4 Measurements and Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Summary and Outlook 129
Appendix 133
A ANSYS APDL simulation code for DE elementary cell model . . . . . . . . . . . . 136
B Additional comparisons of measurement and simulation data . . . . . . . . . . 138
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:91439 |
| Date | 27 June 2024 |
| Creators | Bakardjiev, Petko |
| Contributors | Altinsoy, Ercan M., Anderson, Iain, Marschner, Uwe, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Sachbeihilfe/RI 1294/15-1, AL 1473/9-1//Schallquellen aud Basis von dielektrischen Elastomeren/Schall-DE |
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