Geri Dön

Design, modelling and analysis of a novel implantable bone conduction hearing aid with a piezoelectric actuator

Özgün bir piezoelektrik eyleyicili kemik iletimli implant işitme cihazının tasarım, modelleme ve analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 777354
  2. Yazar: ANIL KOYUNCU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HASAN NEVZAT ÖZGÜVEN, DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 212

Özet

Bu tez çalışması, geleneksel kemik iletimli işitme cihazlarının (KİİC) dezavantajlarını ortadan kaldırmayı amaçlayan yeni bir kemik iletimli (Kİ) dönüştürücü tasarımı önermektedir. İlk adımda Kİ dönüştürücüsü olarak eşkenar dörtgen tipi mekanik yükselticiye sahip piezoelektrik eyleyici tasarımı tercih edilmiştir ve denemeler için ticari bir mekanik güçlendirilmiş piezoelektrik eyleyici (MGPE) seçilmiştir. Mekanik yükselticinin ve gömülü katmanlı piezoelektrik eyleyicisinin dinamikleri, doğrusal analitik yaklaşımlara göre ayrı ayrı formüle edilmiştir. Daha sonra, birleştirilen sistemin çıkış deplasmanları düşük harmonik gerilim girdileri altında yapılan doğrusal titreşim analizleriyle hesaplanmıştır. Kİ dönüştürücü olarak ucuna kütle bağlanmış yeni bir MGPE doğrusal analitik modele dayanarak tasarlamıştır ve tasarlanan yeni MGPE prototipi ürettirilmiştir. Yapılan sabit gerilim genlikli kademeli sinüs testlerinde, frekans yanıtında yüksek gerilim seviyelerinde gözlemlenen atlama durumu yumuşayan karakterde güçlü bir doğrusal olmama durumunu göstermiştir. Bu nedenle, MGPE'nin dinamik modelini doğru elde edebilmek için yakın zamanda geliştirilmiş bir doğrusal olmayan sistem tanımlama yöntemi olan cevap kontrollü kademeli sinüs testi (CKT) kullanılmıştır. Daha sonra, tanımlama yüzeyi yöntemi (TYY) kullanılarak tahmin edilen doğrusal olmama fonksiyonu teşhis edilmiştir ve MGPE ile ona bağlı uç kütlesinin yapısal olarak birleştirilmesi sonucunda doğrusal olmayan çok serbestlik dereceli (ÇSD) model elde edilmiştir. Doğrusal olmayan ÇSD KİİC modeli kullanılarak yapılan Kİ simülasyonlarının sonuçlarına göre KİİC prototipinin uç kütlesi değiştirilmiştir. Doğrusal olmayan ÇSD KİİC modelinin geçerliliğini göstermek ve önerilen Kİ dönüştürücü tasarımını geleneksel bir elektromanyetik dönüştürücü (Radioear B71) ile karşılaştırmak için KİİC prototipini Brüel&Kjær (B&K) tip 4930 yapay mastoide bağlayarak aktarılan kuvvet frekans cevabı ölçülmüştür. Son olarak, KİİC prototipi ve B71 kemik titreştiricisi ile normal işitmeye sahip katılımcılar ve işitme engelli hastalarda işitme eşiği testleri gerçekleştirilmiştir. KİİC prototipi ile B71 kemik titreştiricisi arasındaki eşik seviyesi spektrumu farkının yapay mastoid testlerinden elde edilen iletilen aktarılan kuvvet seviyesi spektrumu farkıyla tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, ilk kez bir minyatür katmanlı tip piezoelektrik eyleyicinin Kİ dönüştürücü olarak kullanılmasına dayalı yeni bir KİİC dönüştürücüsü önerilmiştir. Önerilen KİİC dönüştürücüsünün karmaşık dinamikleri, doğrusal modelleme ve doğrusal olmayan tanımlama kullanılarak modellenmiştir. Yakın zamanda geliştirilmiş doğrusal olmayan dinamik modelleme teknikleri sayesinde, MGPE'lerin doğrusal olmayan dinamikleri hakkındaki sınırlı bilgi birikimine değerli katkılar yapılmıştır. KİİC'nin doğrusal olmayan dinamiklerinin önerilen yöntem tarafından doğru şekilde yakalanabilmesi Kİ işitme implantlarının klinik öncesi performanslarının değerlendirmesinde istisnai bir yöntem olarak sunulabileceğini göstermiştir.

Özet (Çeviri)

This thesis study proposes a novel bone conduction (BC) transducer design, which intends to overcome the drawbacks of conventional bone conduction hearing aids (BCHAs). A piezoelectric actuator design with a rhombus-type mechanical amplifier is chosen as a BC transducer in the first step, and a commercial amplified piezoelectric actuator (APA) is selected for trials. The dynamics of the mechanical amplifier and embedded stacked piezoelectric actuator are formulated separately based on linear analytical approaches. The output displacement of the coupled system is then calculated using linear vibration analysis under low harmonic voltage inputs. Based on the linear analytical model, a new APA is designed as a BC transducer with an attached tip mass, and the new APA prototype is manufactured. Constant-voltage amplitude stepped-sine tests indicate strong softening nonlinearity with the jump phenomenon observed in the frequency response at high voltage levels. Therefore, an accurate dynamical model of an APA is obtained by using a recently developed nonlinear system identification method, namely Response-Controlled stepped-sine Testing (RCT). Then the describing function of the predicted nonlinearity is identified by using describing surface method (DSM), and a nonlinear multi-degree of freedom (MDOF) model is obtained by substructure coupling of the APA and the attached tip mass. Based on the simulation results of the nonlinear MDOF BCHA model, the tip mass of the BCHA prototype is adjusted. The transmitted force-frequency response tests are performed with the optimized BCHA prototype attached to Brüel and Kjær (B&K) type 4930 artificial mastoid in order to validate the nonlinear MDOF BCHA model and compare the performance of the proposed BC transducer design with a conventional electromagnetic bone vibrator (Radioear B71). Finally, hearing threshold tests are performed on normal hearing participants and hearing-impaired patients with the BCHA prototype and the B71 bone vibrator. It is observed that the difference in the threshold level spectrum between the BCHA prototype and the B71 bone vibrator is consistent with the difference in the transmitted force level spectrum obtained from the artificial mastoid tests Consequently, in the thesis study, a novel BCHA transducer is proposed based on a miniature stacked piezoelectric actuator used as a BC transducer for the first time. The sophisticated dynamics of the proposed BCHA transducer are modeled by employing linear modeling and nonlinear identification. By virtue of recently proposed nonlinear dynamic modeling techniques, valuable contributions have been made to the limited body of knowledge on the nonlinear dynamics of APAs. It is demonstrated that the nonlinear dynamics of the BCHA can be captured accurately by the proposed methodology, which can be presented as an exceptional method in the pre-clinical performance evaluation of BC hearing implants.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    818973

    Novel design of transducer for bone conduction use

    Kemik iletiminde kullanılacak yeni bir dönüştürücü tasarımı

    UTKU AYVAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ

    DOÇ. DR. SABİNE REİNFELDT

  2. Tez No

    275085

    Novel wireless RF-biomems implant sensors of metamaterials

    Metamalzeme özgün kablosuz RF-biyomems implant sensörler

    ROHAT MELİK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR

  3. Tez No

    519601

    Design analysis and development of a miniature blood pump

    Minyatür bir kan pompasının tasarımı analizi ve geliştirilmesi

    TALHA IRFAN KHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  4. Tez No

    516764

    Origami tabanlı eklem tasarımı ve tasarımın nümerik ve deneysel analizi

    Numerical and experimental analysis of A novel origami robotics based hinge design

    BÜŞRA DALKILINÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU

  5. Tez No

    143613

    Uncertainty modelling and stability analysis for 2-way fuzzy adaptive systems

    Belirsizlik modellemesi ve 2-yönlü bulanık adaptif sistemler için kararlılık analizi

    EVREN GÜRKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2003

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYDAN ERKMEN

    PROF. DR. STEPHEN BANKS

Geri Dön