Métamatériaux pour la récupération d'énergie à petite échelle

Metamaterials for energy harvesting at small scale

• Auteur / Autrice : Marco Moscatelli
• Direction : Jean-Jacques Marigo, Claudia Comi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Politecnico di Milano
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des solides (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maurel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Marigo, Claudia Comi, Habib Ammari, Luigi Gambarotta, Kim Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Habib Ammari, Luigi Gambarotta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Mécanique

Mots clés libres

Métamatériaux

Propagation des ondes

Homogénéisation périodique

Récupération d'énergie

Metamaterials

Wave propagation

Periodic homogenization

Energy harvesting

Résumé

L'exigence croissante des petits capteurs et dispositifs électroniques autonomes en énergie à faible puissance a propulsé l'émergence de technologies de récupération d'énergie basées sur les vibrations ambiantes, en tant que domaine d'intérêt majeur pour la recherche.Pour une récupération efficace de l'énergie, il est nécessaire de développer des systèmes capables de transmettre et de piéger les vibrations (et l'énergie qu'elles entraînent) dans un domaine à support compact.Les cristaux phononiques et les matériaux périodiques localement résonnants, s'ils sont correctement conçus, peuvent être utilisés pour développer des systèmes de récupération d'énergie basés sur les vibrations, en exploitant la présence de bandes interdites dans leur spectre, c'est-à-dire des intervalles de fréquences correspondant à des ondes atténuées.A l'aide d'un cristal de masse-en-masse, nous identifions d'abord les rôles des principaux paramètres du problème de la propagation des ondes dans ces deux classes de métamatériaux. Ensuite, nous utilisons une technique d'homogénéisation à deux échelles pour dériver leur comportement effectif à une échelle sous-longueur d'onde. En particulier, les matériaux localement résonnants sont analysés, étant caractérisés par la présence de bandes interdites déjà à un régime sous-longueur d'onde.Visant à focaliser l'énergie mécanique dans une zone confinée aux basses fréquences, nous introduisons une cavité dans des matériaux localement résonnants, jouant le rôle d'un défaut de périodicité et aboutissant à la formation de modes localisés à des fréquences à l'intérieur d'une bande interdite. Nous montrons que les ondes mécaniques traversant ces métamatériaux défectueux peuvent être piégées dans le défaut, où l'énergie s'accumule et se concentre.Dans la dernière partie du manuscrit, en utilisant un câble avec des masses attachées périodiquement, nous montrons comment ce système se comporte comme un métamatériau et nous validons expérimentalement les effets d'atténuation et de localisation.Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur le comportement dynamique des milieux périodiques défectueux à utiliser dans les systèmes de récupération d'énergie, ce qui rend ce travail pertinent à la fois pour les domaines théoriques et pratiques.

The increasing demand of low-power energy-autonomous small electronic sensors and devices has propelled the emergence of energy harvesting technologies based on ambient vibrations, as a prominent area of interest for research.For an efficient harvesting of energy, it is required to develop systems that are able to convey and trap the vibrations (and the energy they carry with them) in a compactly-supported domain.Phononic crystals and periodic locally resonant materials, if properly designed, can be used to develop vibration-based energy harvesting systems, by exploiting the presence of band gaps in their spectrum, i.e. intervals of frequencies corresponding to attenuated waves.Using a mass-in-mass crystal, we first individuate the roles of the main parameters of the problem of wave propagation in these two classes of metamaterials. Then, we employ a two-scale homogenization technique to derive their effective behavior at a sub-wavelength scale. In particular, locally resonant materials are analyzed, being characterized by the presence of band gaps at a sub-wavelength regime.Aiming to focus the mechanical energy in a confined area at low frequencies, we introduce a cavity in locally resonant materials, acting as a defect of periodicity and resulting in the formation of localized modes at frequencies inside a band gap.We show that mechanical waves traveling through these defective metamaterials can be trapped in the defect, where the energy piles up and focus.In the final part of the manuscript, by employing a cable with periodically attached masses, we show how this system behaves as a metamaterial and we experimentally validate the attenuation and localization effects.Our results provide new insights on the dynamic behavior of defective periodic media to be used in energy harvesting systems, which makes this work relevant to both theoretical and practical fields.