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Optimisation de la géométrie d'un dispositif de micrograpillage énergétique intra-auriculaire

Carioli, Johan (2016). Optimisation de la géométrie d'un dispositif de micrograpillage énergétique intra-auriculaire. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les dispositifs intra-auriculaires, tels les appareils auditifs, les écouteurs intra-auriculaires bluetooth et les dispositifs connectés dit wearables, nécessitent une source d’énergie électrique pour fonctionner ; actuellement, ce sont les batteries qui remplissent ce rôle non sans inconvénient. Plusieurs centaines de millions d’utilisateurs, principalement des personnes âgées, doivent changer les batteries de leurs prothèses auditives de façon hebdomadaire. Ceci a un coût économique et un impact environnemental négatif non négligeable. Une solution alternative consiste à convertir une partie de l’énergie biomécanique du corps humain en énergie électrique. Il a été mis en évidence que le conduit intra-auriculaire se déformait sous l’action des mouvements de la mâchoire et que cette déformation était convertible en énergie électrique. Ce qui permet d’envisager de concevoir un dispositif de conversion d’énergie qui s’insère au sein de l’appareil intra-auriculaire que l’on souhaite alimenter en énergie électrique. C’est alors la déformation du conduit auditif qui est utilisée comme source d’énergie pour les prothèses auditives par exemple. Cependant, comme les mouvements du conduit auditif sont mal compris, il est difficile de concevoir un système de micrograpillage énergétique adapté aux déformations du conduit auditif. En effet, la compréhension insuffisante des déformations du conduit auditif pendant la fermeture de la mâchoire ne permet pas de réaliser des simulations par éléments finis précises et rendant compte de la réalité expérimentale. Cependant, la déformation du conduit auditif peut être décomposée en plusieurs modes de déformation comme la torsion, la flexion ou la compression radiale. L’enjeu de ce travail de maîtrise en sciences appliquées est de mettre en évidence le mode de déformation qui maximise l’énergie électrique convertible à partir des mouvements du conduit auditif et de concevoir un dispositif capable de convertir l’énergie provenant de ce mode de déformation. Nous présentons une méthode alternative aux investigations utilisant les simulations par éléments finis, basée sur des considérations analytiques, permettant de comprendre le comportement mécanique du conduit auditif causé par le mouvement fermeture de la mâchoire. Les nuages de points du conduit auditif en position ”bouche ouverte” et ”bouche fermée” ont été utilisés pour quantifier ces énergies de flexion et de compression. Ce modèle est utilisé pour sélectionner un mode de déformation adapté à la conversion d’énergie mécanique des déformations du conduit auditif en énergie électrique. Nous illustrons la pertinence de ce modèle en l’appliquant à 12 sujets humains pour lesquels l’énergie de flexion et de compression développée par les mouvements du conduit auditif est quantifiée. Pour réaliser la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, des éléments piézoélectriques sont utilisés. Nous nous intéressons ici à la façon de convertir l’énergie de flexion du conduit auditif en énergie électrique. Nous présentons un prototype de conversion d’énergie composé d’un film mince de piezo-polymère fixé à un bouchon d’oreille sur mesure. Le comportement mécanique de ce prototype est modélisé et les prédictions provenant de cette modélisation sont alors comparées aux résultats expérimentaux. L’énergie de flexion développée par les mouvements du conduit auditif de l’oreille humaine a été évaluée comme étant en moyenne trois fois plus élevée que l’énergie de compression radiale. La modélisation du dispositif permettant de convertir l’énergie de flexion en énergie électrique a permis de prédire la tension en circuit ouvert générée par les mouvements du conduit auditif. Elle est évaluée à 4.1V. Les expérimentations ont confirmé cette modélisation avec une tension de 4.5V mesurée. De plus, nous montrons, qu’il est possible de convertir seulement l’énergie de flexion développée par les mouvements du conduit auditif lors de la fermeture de la mâchoire. Cette approche fournit un outil pour concevoir des dispositifs de micrograpillage intra-auriculaire adapté aux déformations du conduit auditif. À l’avenir, un dispositif de conversion d’énergie tel qu’il a été présenté pourrait être utilisé pour alimenter de l’énergie pour les appareils intra-auriculaires en énergie électrique. La modélisation développée peut être utilisée pour concevoir des capteurs de déformation du conduit auditif, ou toutes sortes de dispositifs de conversion d’énergie curvilignes fabriqués à partir de polymère piézoélectrique à couche mince. Les résultats obtenus pourront être pris en compte pour la conception des futurs dispositifs de micrograpillage intra-auriculaire. Enfin, un tel dispositif de conversion d’énergie a le potentiel de révolutionner le marché des prothèses auditives en complétant ou en remplaçant la technologie de batterie.

Titre traduit

Geometry optimization of an in-ear energy harvester device

Résumé traduit

The economic costs and environmental impacts associated with the use of batteries to power in-ear devices are substantial. Studies have demonstrated that energy generated by earcanal deformation during jaw movement can be converted to electrical energy. Harvesting biomechanical energy to power in-ear devices could be an alternative to batteries. The goal of this master’s in applied sciences was to design an in-ear energy harvesting device, first by identifying the type of earcanal deformation that would yield the maximum amount of mechanical energy convertible to electrical energy and second by selecting the best type of piezoelectric material and its optimal positioning within the ear. A literature review was conducted on three topics : current techniques used to power hearing-aids, parameters relevant to the analysis of earcanal deformation and current methods of distortion analysis of deformable solids. A calculation method was used to model the mechanical behavior of a custom earplug during earcanal deformation. Point clouds obtained by white light 3D scanning of custom earmolds in “open mouth” and “closed-mouth” positions were used to quantify bending and compression energies and the model was validated using 12 human subjects. The theoretical model for the energy conversion was experimentally validated using custom earplug prototypes fitted with a thin film of piezopolymer. The mechanical behavior of this prototype was modeled and the theoretical predications were compared with the experimental results. The bending energy is on average three times higher than the radial compression energy. The in-ear prototype design to harvest the bending energy model predicts the open circuit voltage induced by earcanal deformation. It was valued at 4.1V. Experimentally measured voltage was sufficient at 4.5V. In the future, an energy conversion device as presented in this study could be used to supply energy to in-ear devices. These results can also be used to design earcanal deformation sensors, or any type of curved energy harvester made with a thin film of piezoelectric polymer. These findings will be used to design a future in-ear energy harvester device, which could revolutionize the market of wearables and hearing aids by supplementing or replacing batteries.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Bibliographie : pages 69-75.
Mots-clés libres: Prothèses auditives Alimentation en énergie. Énergie Conversion. Énergie mécanique. Mâchoires Mouvements. Articulation temporo-mandibulaire Mouvements. Conduit auditif externe Mouvements. Flexion (Mécanique) Biocapteurs à polymères piézoélectriques. Bouchons d'oreille Modèles mathématiques. auriculaire, dispositif, énergétique, intra, micrograpillage, protecteurs auditifs, matériaux piézoélectriques, modélisation analytique, déformations du conduit auditif
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Voix, Jérémie
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Zednik, Ricardo
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 02 mars 2017 20:19
Dernière modification: 02 mars 2017 20:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1822

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