Distribution de cellules piézoélectriques semi-actives pour l'optimisation d'interfaces vibroacoustiquesDistributed shunted piezoelectric cells for vibroacoustical interfaces optimization

Distributed shunted piezoelectric cells for vibroacoustic interface optimization

• Auteur / Autrice : Flaviano Tateo
• Direction : Manuel Collet, Morvan Ouisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : ED 37 - Sciences physiques pour l'ingénieur et microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Bernard Troclet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Collet, Morvan Ouisse, Bernard Troclet, Mohamed Ichchou, Kenneth A. Cunefare
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Deü, Fabrizio Scarpa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux intelligents

Mots clés libres

Métacomposites

Structures périodiques

Propagation d'ondes en milieux complexes

Matériaux intelligents

Contrôle vibratoire

Metacomposites

Periodic structures

Wave propagation in complex media

Smart materials

Vibration control

Résumé

Le domaine des matériaux intelligents et des structures adaptatives constitue un domaine de recherche consacré à la conception de structures architecturées ayant la faculté de modifier leur comportement en réponse à un stimulus externe. Le travail proposé dans cette thèse porte sur l’analyse et la conception d’un système pour le contrôle vibroacoustique adaptatif. Il s’attache à la conception d’une interface active faite de transducteurs piézo-électriques disposés en réseau bidimensionnel. Chaque transducteur est shunté individuellement par un circuit électronique externe synthétisant une capacité négative. Cette stratégie de contrôle se base sur le couplage multipysique entre la plaque et les circuit électroniques mis en communication et permet de contrôler les ondes se propageant au sein de la structure. Le dispositif ainsi créé est qualifié de métacomposite. La performance du metacomposite a été évaluée par le biais de nombreux essais numériques et expérimentales. Du point de vue modélisation, l’analyse a été réalisée à l’aide du théorème de Bloch adapté aux systèmes piézo-élastiques à deux dimensions. Par la suite, une procédure d’optimisation a été utilisée dans le but de sélectionner les paramètres de shunt électrique les plus appropriés.Un prototype du guide d’ondes a été fabriqué et testé. Les résultats montrent clairement que ce dispositif permet de modifier les propriétés vibratoires de la structure porteuse, que ce soit en terme d’atténuation ou de trasmission. Enfin, un modèle éléments finis de la plaque a été utiliser afin d’évaluer la robustesse de la stratégie de contrôle proposée vis-à-vis d’une modification des paramètres du circuit, de la topologie del’interface active ou des propriétés de la plaque contrôlée.

Smart materials is an active research area devoted to the design of structured materials showingphysical properties that can be modified in response to an external stimulus.This study focuses on the analysis and design of adaptive system for vibroacoustic control. Theresearch investigates the design of a active interface made of piezoelectric transducers arranged ina two-dimensional lattice. Each transducer is individually shunted to an external electric circuitsynthesizing a negative capacitance effect. It allows to control waves propagating inside a structuretaking advantage of the multi-field coupling between the structural plate and the electrical circuitsshunting the piezoelectric patches.The performance of the metacomposite has been evaluated through numerous numerical andexperimental tests. The smart wave-guide has been analyzed by using the Bloch theorem appliedto two-dimensional piezo-elastic systems. Subsequently an optimization procedure has been usedwith the purpose to select the most appropriate set of circuit’s parameters.A prototype of the smart waveguide has been manufactured and tested. The results results clearlyshow the filtering and attenuating capabilities of this device.Finally a finite element model of the finite extent smart plate has been considered in order toasses the robustness of the proposed control strategy respect to a modification of the circuit’sparameters, the topology of the active interface and the properties of the controlled plate.A brief review conclude the work delineating which aspects of the design should be modified inorder to obtain a device suitable for industrial applications.