Caractérisation et identification non-paramétrique des non-linéarités de suspensions de haut-parleurs

This thesis deals with the low frequencies mechanical behavior of the electrodynamic loudspeaker moving part, and especially with the suspensions, whose properties are among the most difficult to identify because of both assembly geometry and intrinsic materials, leading to nonlinear viscoelastic behaviors. In small signal domain, the Thiele and Small model describes the behavior of the whole loudspeaker with a good fit, the moving part behavior being modeled by a simple linear mass-spring system, with mass, damping and stiffness parameters. In large-signal domain, this model is no longer sufficient. Our approach is then to perform nonlinear system identification as a tool helping to improve analytical models. A model without physical knowledge is chosen : « Generalized Hammerstein ». Its identification requires the acquisition of experimental signals. A multi sensor experimental set up were so carried out and allows to characterize the whole moving part of a loudspeaker, without magnetic motor, attached to a rigid stand and excited with high axial displacement values, by means of a shaker. Shaker being itself a nonlinear device, a new method of « Generalized Hammerstein » model identification was developped, dedicated to nonlinear systems in series. Finally, parameters of an «expanded Thiele and Small» model are derived from the «Generalized Hammerstein» model parameters. This allows to highlight the evolution of the stiffness and damping with the frequency of excitation, with the displacement of the membrane, as well as the dependence of observed phenomena with the excitation level.Ce travail de thèse porte sur le comportement mécanique en basses fréquences de l'équipage mobile du haut-parleur électrodynamique, et plus spécifiquement de ses suspensions. Les propriétés des suspensions sont difficiles à identifier du fait de l'assemblage géométrique mis en oeuvre et du fait des matériaux employés, à l'origine de comportements viscoélastiques non-linéaires. En régime linéaire, le modèle de Thiele et Small permet une bonne description du comportement du haut-parleur, l'équipage mobile étant modélisé par un système masse-ressort-amortissement linéaire. En régime non-linéaire, ce modèle n'est plus suffisant et la démarche adoptée est celle de l'identification de systèmes non-linéaires, outil d'aide à la modélisation analytique. Un modèle sans a priori physique est choisi : le modèle « Hammerstein Généralisé ». Son identification requiert l'acquisition de signaux expérimentaux. Un banc de mesure a donc été élaboré et permet de caractériser l'équipage mobile découplé du moteur magnétique, lorsqu'il est soumis à un déplacement axial de grande amplitude et imposé par un pot vibrant. Le pot vibrant étant lui-même non-linéaire, une nouvelle méthode d'identification du modèle « Hammerstein Généralisé » a été développée, adaptée à la configuration de systèmes non-linéaires en série. Enfin, les paramètres d'un modèle dit de «Thiele et Small étendu» sont déduits à partir des paramètres du modèle «Hammerstein Généralisé» et permettent de mettre en évidence l'évolution de la raideur et de l'amortissement avec la fréquence d'excitation et le déplacement de la membrane, ainsi que la dépendance des phénomènes observés avec le niveau d'excitation

Characterization and nonparametric identification of speaker suspensions nonlinearities

Ce travail de thèse porte sur le comportement mécanique en basses fréquences de l'équipage mobile du haut-parleur électrodynamique, et plus spécifiquement de ses suspensions. Les propriétés des suspensions sont difficiles à identifier du fait de l'assemblage géométrique mis en oeuvre et du fait des matériaux employés, à l'origine de comportements viscoélastiques non-linéaires. En régime linéaire, le modèle de Thiele et Small permet une bonne description du comportement du haut-parleur, l'équipage mobile étant modélisé par un système masse-ressort-amortissement linéaire. En régime non-linéaire, ce modèle n'est plus suffisant et la démarche adoptée est celle de l'identification de systèmes non-linéaires, outil d'aide à la modélisation analytique. Un modèle sans a priori physique est choisi : le modèle « Hammerstein Généralisé ». Son identification requiert l'acquisition de signaux expérimentaux. Un banc de mesure a donc été élaboré et permet de caractériser l'équipage mobile découplé du moteur magnétique, lorsqu'il est soumis à un déplacement axial de grande amplitude et imposé par un pot vibrant. Le pot vibrant étant lui-même non-linéaire, une nouvelle méthode d'identification du modèle « Hammerstein Généralisé » a été développée, adaptée à la configuration de systèmes non-linéaires en série. Enfin, les paramètres d'un modèle dit de «Thiele et Small étendu» sont déduits à partir des paramètres du modèle «Hammerstein Généralisé» et permettent de mettre en évidence l'évolution de la raideur et de l'amortissement avec la fréquence d'excitation et le déplacement de la membrane, ainsi que la dépendance des phénomènes observés avec le niveau d'excitation.This thesis deals with the low frequencies mechanical behavior of the electrodynamic loudspeaker moving part, and especially with the suspensions, whose properties are among the most difficult to identify because of both assembly geometry and intrinsic materials, leading to nonlinear viscoelastic behaviors. In small signal domain, the Thiele and Small model describes the behavior of the whole loudspeaker with a good fit, the moving part behavior being modeled by a simple linear mass-spring system, with mass, damping and stiffness parameters. In large-signal domain, this model is no longer sufficient. Our approach is then to perform nonlinear system identification as a tool helping to improve analytical models. A model without physical knowledge is chosen : « Generalized Hammerstein ». Its identification requires the acquisition of experimental signals. A multi sensor experimental set up were so carried out and allows to characterize the whole moving part of a loudspeaker, without magnetic motor, attached to a rigid stand and excited with high axial displacement values, by means of a shaker. Shaker being itself a nonlinear device, a new method of « Generalized Hammerstein » model identification was developped, dedicated to nonlinear systems in series. Finally, parameters of an «expanded Thiele and Small» model are derived from the «Generalized Hammerstein» model parameters. This allows to highlight the evolution of the stiffness and damping with the frequency of excitation, with the displacement of the membrane, as well as the dependence of observed phenomena with the excitation level

Comportement Non-Linéaire des Suspensions Mécaniques d'un Haut-Parleur : Caractérisation et Identification

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Mechanical Nonlinearities of Electrodynamic Loudspeakers: An Experimental Study

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Nonparametric Identification of Nonlinear Systems in Series

International audienceIn this paper, a method allowing the identification of two nonlinear systems in series is presented. More precisely, the identification of the second nonlinear subsystem under test is achieved by taking into account the effects of the nonlinearities of the first subsystem. The method is based on the estimation of the Higher Harmonic Frequency Responses (HHFRs) from the measurement of distorted input and output signals. The second nonlinear system is then modeled by non-parametric generalized Hammerstein model made up of power series associated with linear filters. The method is experimentally validated in the well-known framework of nonlinear propagation of acoustic waves

Comportement Non-Linéaire des Suspensions Mécaniques d'un Haut-Parleur : Caractérisation et Identification

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Modelling nonlinear viscoelastic behaviours of loudspeaker suspensions-like structures

International audienceMechanical properties of an electrodynamic loudspeaker are mainly determined by its suspensions (surround and spider) that behave nonlinearly and typically exhibit frequency dependent viscoelastic properties such as creep effect. The paper aims at characterizing the mechanical behaviour of electrodynamic loudspeaker suspensions at low frequencies using nonlinear identification techniques developed in recent years. A Generalized Hammerstein based model can take into account both frequency dependency and nonlinear properties. As shown in the paper, the model generalizes existing nonlinear or viscoelastic models commonly used for loudspeaker modelling. It is further experimentally shown that a possible input-dependent law may play a key role in suspension characterization

Mechanical Nonlinearities of Electrodynamic Loudspeakers: An Experimental Study

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New measurement method to derive mechanical parameters on a vocal fold replica

International audienceComprendre le comportement oscillatoire des cordes vocales lors de la phonation est nécessaire pour expliquer les nombreuses particularités des sons voisés en condition physiologique (mécanismes laryngés) ou pathologique (asymétrie fonctionnelle, polype). De nombreuses études in-vivo ont permis de récolter de précieuses données descriptives concernant ces conditions. Des hypothèses ont été formulées quant aux mécanismes physiques qui conduisent à ces comportements. Pour autant, la plupart des phénomènes intervenant restent inexpliqués ou du moins mal quantifiés. C'est pourquoi la modélisation physique des cordes vocales est un outil précieux pour étudier la phonation. Néanmoins, pour alimenter les modèles théoriques et leurs paramètres il faut avoir accès à des grandeurs qui souvent sont inaccessibles chez l'être humain. Ainsi, les caractéristiques mécaniques des cordes ont rarement été étudiées [1], [2]. Dans cette étude, nous utilisons le modèle à deux masses des cordes vocales couplé à un modèle d'écoulement de l'air respiratoire et à une description acoustique du conduit vocal. Les paramètres mécaniques des cordes vocales (masse, raideur, amortissement), nécessaires en entrée de ce modèle, sont déterminés au moyen d'un banc d'essai expérimental basé sur une maquette de cordes vocales [3], auquel est ajouté un nouveau dispositif de mesure de la réponse mécanique. La méthode proposée ici pour la mesure des paramètres mécaniques de la maquette des cordes vocales est une méthode déjà bien connue en vibrométrie, elle utilise un pot vibrant comme excitation vibratoire et un système optique pour mesurer la réponse des cordes vocales. Cette méthode permet notamment d'être plus précis sur la localisation de l'excitation vibratoire (donc de mesurer la réponse mécanique propre à chacune des cordes vocales) et de déterminer de façon exacte l'amplitude des pics de résonances. Ainsi on peut définir une valeur précise de la masse vibrante de chaque corde vocale. Dans ce papier nous présenterons les réponses mécaniques mesurées sur nos différentes maquettes de cordes vocales et nous évaluerons différentes méthodes d'excitation (tige relié au pot vibrant, maquette sur plateau vibrant...). Une comparaison (dynamique, précision, répétabilité) avec l'ancien système acoustique développé par Ruty et col. [3] sera également réalisée. Les maquettes de cordes vocales étant constituées de latex remplis de liquide dont on contrôle la pression, nous présenterons donc des mesures de réponses mécaniques faites avec différentes sortes de liquides (eau, huile, savon,...) afin de faire varier les paramètres mécaniques et d'observer l'influence sur la réponse mécanique et sa mesure

Influence de l'expansion des joues lors de la production d'une plosive bilabiale

International audienceThis experimental study highlights the influence of expansion of the cheeks during the production of bilabial plosives. The closure of the lips, before the plosive, causes an increase in intra-oral pressure. The assumption suggested in this paper is that the increase of oral cavity volume, as a result of the intra-oral pressure, has a non-negligible impact on the pressure inside the oral cavity. Fisrtly, this phenomenon is shown by in-vivo measurements for an /apa/ utterance, then reproduced in laboratory on a replica of human vocal apparatus. The upper part of vocal tract is represented by a flexible tube, whose volume increases under the effect of the pressure.Cette étude expérimentale met en valeur l'influence de l'expansion des joues lors de la production de plosives bilabiales. La fermeture des lèvres qui précède la plosive, provoque une augmentation de la pression intra-orale. L'hypothèse proposée dans cet article est que l'augmentation du volume de la cavité buccale sous l'effet de la pression intra-orale, a une influence non-négligeable sur la pression dans la cavité buccale. Ce phénomène est, dans un premier temps, mis en évidence par des mesures in-vivo pour la production de la séquence /apa/, puis reproduit en laboratoire, sur une maquette de l'appareil phonatoire humain. La partie supérieure du conduit vocal est alors représentée par un tube souple, dont le volume augmente sous l'effet de la pression