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La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) permet de prévoir les échanges d'énergie entre sous-systèmes d'une structure lorsque celle-ci est soumise à une excitation. La SEA est théoriquement très simple à mettre en place et permet de faire des variations paramétriques sur un modèle de la structure en phase de conception. Cette méthode est utilisée de manière pertinente dans le domaine du bâtiment mais peine à s'implanter dans le secteur des transports où les systèmes étudiés sont beaucoup plus complexes. Plusieurs difficultés apparaissent dans ces cas de figure et empêchent une modélisation correcte de la structure. La première difficulté vient de la nécessité de découper la structure en sous-systèmes respectant les hypothèses de la SEA. Ce découplage, presque trivial dans le bâtiment, devient particulièrement complexe dans le cas d'une caisse de voiture par exemple. L'estimation des puissances injectées par les sources dans la structure est une deuxième difficulté. En effet, les énergies des sous-systèmes sont directement proportionnelles à la puissance injectée. Ainsi, une mauvaise estimation de la puissance entraîne une erreur sur les échanges d'énergies. Le but de ce travail de thèse est double. Dans la première partie, une modèle de puissance injectée dans une plaque rectangulaire soumise à une couche limite turbulente (CLT) établie. Ce modèle simple permet de souligner l'influence des différents paramètres agissant sur la puissance injectée et d'estimer avec le temps de calcul très faible la puissance injectée par bande de fréquence. Une validation expérimentale est aussi exposée. Dans la deuxième partie, une méthode de sous-structuration automatique d'une structure en sous-systèmes SEA est proposée. Elle est basée sur l'analyse et la classification de fonctions de transfert énergétiques simulées par éléments finis. Un algorithme de classification permet de diviser la base de données en N sous-systèmes (N allant de 2 à Nmax). Un indice, validé sur des assemblages simples, indique la sous-structuration optimale pour une application SEA. Des applications industrielles, démontrant l'applicabilité de la méthode à des structures complexes, seront présentées.

SEA (Statistical Energy Analysis) permits prediction of energy sharing between subsystems of an excited structure. SEA is theoretically easy to apply and permits parametric variations on a model of the structure during conception phase. This method is usefully used in building works but pains to be established in transportation sector. Some difficulties appear in that case and prevent a good modelling of the structure. One critical step is to define proper SEA elements. This partitioning, almost obvious in building works, becomes more complex in the case of car body for example. Evaluation of power injected by sources into the structure is a second difficulty. Indeed, subsystems energies are directly proportional to injected power. Thus, wrong evaluation of injected power leads to wrong description of energy sharing. The first part of this work deals with a model of input power injected into a rectangular plate excited by turbulent boundary layer (TLB). This simple model permits to underline some parameters influences on input power and quickly estimate it, averaged on frequency bands. An experimental validation is also exposed. In the second part, an automatic method for the identification of proper SEA subsystems based on analysis and classification of energy transfer functions simulated by FEM is described. A classical algorithm divides database into N subsystems (N=2 to Nmax). An index, validated on academic structures, indicates optimal sub-structuring for SEA application. Industrial structures, showing applicability of the method to complex systems, are also presented.; La méthode SEA (Statistical Energy Analysis) permet de prévoir les échanges d'énergie entre sous-systèmes d'une structure lorsque celle-ci est soumise à une excitation. La SEA est théoriquement très simple à mettre en place et permet de faire des variations paramétriques sur un modèle de la structure en phase de conception. Cette méthode est utilisée de manière pertinente dans le domaine du bâtiment mais peine à s'implanter dans le secteur des transports où les systèmes étudiés sont beaucoup plus complexes. Plusieurs difficultés apparaissent dans ces cas de figure et empêchent une modélisation correcte de la structure. La première difficulté vient de la nécessité de découper la structure en sous-systèmes respectant les hypothèses de la SEA. Ce découplage, presque trivial dans le bâtiment, devient particulièrement complexe dans le cas d'une caisse de voiture par exemple. L'estimation des puissances injectées par les sources dans la structure est une deuxième difficulté. En effet, les énergies des sous-systèmes sont directement proportionnelles à la puissance injectée. Ainsi, une mauvaise estimation de la puissance entraîne une erreur sur les échanges d'énergies. Le but de ce travail de thèse est double. Dans la première partie, une modèle de puissance injectée dans une plaque rectangulaire soumise à une couche limite turbulente (CLT) établie. Ce modèle simple permet de souligner l'influence des différents paramètres agissant sur la puissance injectée et d'estimer avec le temps de calcul très faible la puissance injectée par bande de fréquence. Une validation expérimentale est aussi exposée. Dans la deuxième partie, une méthode de sous-structuration automatique d'une structure en sous-systèmes SEA est proposée. Elle est basée sur l'analyse et la classification de fonctions de transfert énergétiques simulées par éléments finis. Un algorithme de classification permet de diviser la base de données en N sous-systèmes (N allant de 2 à Nmax). Un indice, validé sur des assemblages simples, indique la sous-structuration optimale pour une application SEA. Des applications industrielles, démontrant l'applicabilité de la méthode à des structures complexes, seront présentées.

Un dispositif autonome visant à récupérer de l'énergie de cours d'eau à faible vitesse a été développé au sein du laboratoire ICube. Son fonctionnement repose sur les vibrations induites par vortex : plongé dans un écoulement, un cylindre rattaché à un ressort voit apparaître à son aval des tourbillons qui provoquent une dissymétrie cyclique du champ de pression à sa surface, ce qui va avoir tendance à faire osciller. L'énergie mécanique qui en résulte peut ensuite être convertie en énergie électrique par l'utilisation d'une génératrice. L'enjeu de cette thèse a été de prouver le concept du dispositif, tout en optimisant son fonctionnement. Un modèle analytique a été développé pour permettre l'estimation des paramètres optimaux à appliquer pour maximiser la récupération d'énergie. Il permet en outre d'estimer de façon simple l'énergie récupérable dans des conditions données. Un modèle numérique en deux dimensions a ensuite été développé sous OpenFoam pour permettre la validation du modèle analytique. Enfin, des essais expérimentaux ont été réalisés pour vérifier la viabilité d'un tel dispositif dans des conditions réalistes. ; An autonomous device aimed at recovering energy from low-speed streams has been developed within the ICube laboratory. Its operation is based on the vortex-induced vibration phenomenon: immersed in a flow, a cylinder attached to a spring sees vortices appear downstream which cause a cyclic asymmetry of the pressure field on its surface, which will tend to make it oscillate. Mechanical energy can then be converted into electrical energy through the use of a generator. The aim of this thesis was to prove the concept of the device, while optimizing its operation. An analytical model has been developed to allow optimal parameters to be applied to optimize energy recovery. It also makes it possible to easily estimate the recoverable energy under given conditions. A two-dimensional digital model was then developed under OpenFoam to allow validation of the analytical model. Finally, experimental ...

The experimental vibro-acoustic characterization of panels submitted to random pressure fields is of great interest in the industry as well as in research laboratories. For the transport sector, this type of excitation can be found when a turbulent flow develops at the wall of a moving vehicle for example. The pressure fluctuations induced by the turbulent boundary layer excite the panels which radiate a noise inside the cabin. The experimental reproduction of those pressure fluctuations requires test means which can be very costly (i.e., wind tunnel, in situ tests) and whose physical parameters can hardly be controlled. The repeatability of measurements can thereby be questioned which makes it hard to compare different technological solutions. A second example of random pressure field is the diffuse acoustic field. This latter is usually reproduced in a reverberant room which is often coupled with an anechoic chamber by means of the panel whose acoustic insulation is to be tested. A pressure field is assumed to be diffuse if the acoustic energy comes from every direction with an equiprobable intensity of the incident waves. This assumption is never fully reached in practice (lack of grazing incident waves, strong modal behavior of the room at low frequencies, etc.). A laboratory tool which allows reproducing the effect of those random excitations in a controlled environment is therefore of great interest. In this context, this thesis aims at developing an experimental method to characterize the vibro-acoustic behavior of panels under random pressure fields without using the common test means (wind tunnel, reverberant room, in situ tests, etc.). For relevance sake, this approach must compensate for the previously stated issues. The approaches studied in this work are based on the mathematical formulation of the problem in the wavenumber domain. This latter allows an explicit separation of the contributions of the excitation via the wall-pressure cross-spectrum, from those of the vibro-acoustic behavior of the panel via so-called `sensitivity functions'. Assuming the wall-pressure cross-spectrum of the excitation is known, it is only required to experimentally determine those sensitivity functions, on the panel or in the acoustic medium, to determine the response of the panel to the considered excitation by post-processing. Two methods aiming at determining the sensitivity functions will be numerically and experimentally studied: the source scanning technique and the method based on the reciprocity principle. Results obtained with those method are compared to measurements using standard test means to attest the validity of those methods. Several vibro-acoustic indicators will be confronted while considering the two previously mentioned excitations and for two types of panels: an academic panel and a `complex' from the aeronautic sector. This latter shows the applicability of the method in an industrial context.; La caractérisation expérimentale de la réponse vibro-acoustique de panneaux excités par des champs de pression aléatoire est d'un grand intérêt dans le monde de la recherche, aussi bien industrielle qu'académique. Dans le domaine des transports, ce type d'excitation se rencontre par exemple lorsqu'un écoulement turbulent se développe en paroi d'un véhicule en mouvement. Les fluctuations de pression induites par la couche limite turbulente excitent les parois qui rayonnent un bruit à l'intérieur de l'habitacle. La reproduction expérimentale de ces fluctuations de pression nécessite des moyens qui peuvent être très coûteux (i.e, tunnel aérodynamique, essais in situ) et dont il est difficile de maîtriser tous les paramètres physiques. Un second exemple de champ de pression aléatoire est le champ acoustique diffus. Celui-ci est généralement reproduit dans une chambre réverbérante que l'on couple souvent à une chambre anéchoïque par l'intermédiaire de la paroi dont on souhaite étudier l'isolation acoustique. Un champ acoustique est supposé diffus si l'énergie acoustique provient de toutes les directions et l'intensité des ondes incidentes est équiprobable, ce qui n'est jamais le cas en pratique (problème des angles rasants, modes propres en basse fréquence, etc.). Il y a donc un fort intérêt à disposer d'un outil de laboratoire permettant de reproduire l'effet d'excitations aléatoires dans un environnement qui peut être contrôlé. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui a pour but de développer une méthode expérimentale permettant de caractériser le comportement vibro-acoustique de panneaux sous champ de pression aléatoire tout en se passant des moyens de mesures usuels (soufflerie, chambre réverbérante, essais in situ, etc.). Les approches étudiées dans cette thèse se basent sur la formulation mathématique du problème dans le domaine des nombres d'onde. Celle-ci met en évidence une séparation explicite des contributions de l'excitation via son interspectre de pression pariétale, de celles du comportement vibro-acoustique du panneau via des fonctions appelées "fonctions de sensibilité". Supposant donc que l'interspectre de pression pariétale de l'excitation est connu, il suffit de déterminer expérimentalement ces fonctions de sensibilité, sur le panneau ou dans le milieu acoustique, pour déterminer par post-traitement la réponse du panneau à l'excitation considérée. Deux méthodes permettant de déterminer les fonctions de sensibilité seront étudiées numériquement et validées expérimentalement: la méthode par antenne synthétique et la méthode basée sur le principe de réciprocité. Pour étudier la validité de ces méthodes, on compare leurs résultats à ceux obtenus par des moyens standards sur la base de plusieurs indicateurs vibro-acoustiques. Les méthodes sont validées en considérant les deux types d'excitations évoqués précédemment et pour deux types de panneaux: un panneau académique et un panneau "complexe" issu du domaine aéronautique.

A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented; Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté

One way to protect electrical installation from over-current is the use of fuse. The fuses of Ferraz Shawmut are filled with sand to enhance the extinction of the electrical arc due to overcurrent. Optimize the sand grains arrangement by vibration improve the fuses properties. A protocol was settled to build reproducible reference packings which are submitted to vertical sinusoidal vibration. The kind of motion exhibited by the sand grains and the packing fraction are studied as a function of both the frequency and the dimensionless acceleration. Master curves are derived and the results are interpreted in terms of the energy transferred to the packing per unit vibration cycle. The effect of the initial filling height of sand is most important than this of the inner container diameter. Finally a characterisation of relaxed vibrated grains arrangements is realized by X-rays tomography. Packing fraction, grains size distribution, pore size distribution and grain-grain contact area distribution are calculated. ; L'une des façons de protéger une installation électrique d'une surintensité est d'utiliser un fusible. Les fusibles de la société Ferraz Shawmut contiennent du sable facilitant l'extinction de l'arc électrique créé par la surintensité. L'optimisation de l'arrangement des grains de sable grâce à une vibration permet d'améliorer les propriétés des fusibles. Des éprouvettes de sable, préparées par pluiviation, sont vibrées à différentes fréquences et accélérations. Le comportement dynamique des grains de sable et la compacité montrent une dépendance vis-à-vis de l'amplitude de vibration. Une modélisation énergétique des états vibratoires est réalisée. Une étude de dimensionnement des fusibles montre que dans le cas de vibrations verticales, l'effet de la hauteur de sable sur la compacité du milieu granulaire est prédominant. Tandis que le diamètre des récipients modifie le système convectif. La caractérisation d'empilements granulaires vibrés relaxés par tomographie X montre que les vibrations ne créent pas de ...

The implementation of wireless sensor nodes in industrial installations, transport or building is a potential route to increase the performances of these systems.By a proper supervision and exploitation of the collected information (temperature, vibratory level, humidity, etc.) the reliability and the energy performances can be increased. With the regular reduction of the power requirements for new generations of wireless sensors nodes, a strong scientific interest to develop autonomous power supply has raised.In this framework, a specific research topic appeared about ten years ago: ambient energy harvesting.The present work investigates the performances of an original micro-generator architecture for vibration energy harvesting: the “Hybrid Fluid Diaphragm” (HFD).The concept of HFD consists in encapsulating an incompressible fluid between two flexible membranes. The fluid behaves as an inertial mass which leads to a resonant frequency suitable for ambient vibrations whose spectrum is usually lower than a few hundred Hertz.These membranes are made of P(VDF-TrFE), a piezoelectric polymer, and are designed to ensure the optimal conversion of the mechanical solicitations (flexion/stretch) into electrical energy.A multiphysic modeling which integrates the fluid, the mechanical and the electric coupled behaviors is proposed.The realization and the characterization of two HFD's generators are detailed.A first prototype implements single layer piezoelectric membranes, whereas a second one uses optimized double layer membranes.The generated power appears to be sufficient to consider the power supply of wireless sensor nodes operating in intermittent transmitting mode. The very simple geometry of the proposed generators is favorable to their integration in realistic applications. ; La mise en œuvre de réseaux de capteurs communicants dans des installations industrielles, dans les transports ou le bâtiment apparaît comme un axe de développement qui permettrait d'augmenter les performances globales de ces systèmes.Par une ...

Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the beam with on the global electromechanical coupling coefficient. The harvesters tested with resistive loads under vibratory conditions suggest great potential for frequency tuning (more than 10% of their resonance frequencies). Within the framework of this research work, one of the prototypes was tested with a dedicated electrical management circuit allowing an automatic adjustment over a wide frequency band (more than 17% of the resonance frequency). Finally, a non-linear phenomenological model is presented at the end of this thesis. It allows to consider and understand the influence of mechanical and dielectric losses on the behaviour and performances (recovered power and bandwidth) of the harvesters.; La récupération d’énergie vibratoire s’intéresse à utiliser les vibrations afin d’alimenter des capteurs sans fil communicants à des emplacements où les piles et les batteries ne peuvent être employées ou changées. Dans ce contexte, l’utilisation de structures résonantes piézoélectriques permet de récupérer des puissances électriques importantes. Cependant, ces performances ne sont atteintes que sur une bande fréquentielle très limitée (typiquement quelques pourcents de la fréquence de résonance du récupérateur). En réponse à cette problématique, des techniques électriques capables d’ajuster la fréquence de résonance de récupérateurs piézoélectriques sont développées depuis quelques années. Pour atteindre une bande de fréquence de fonctionnement intéressante grâce à ces techniques, les récupérateurs piézoélectriques doivent présenter un très fort couplage électromécanique global. Cette thèse porte donc sur la modélisation, la conception et la caractérisation de récupérateurs d’énergie piézoélectriques très fortement couplés pour la récupération d’énergie vibratoire large bande. Dans cette thèse, il est montré que la poutre encastrée-libre (cantilever) comportant une longue masse mobile à son extrémité libre est la configuration la plus pertinente pour optimiser le coefficient de couplage électromécanique global. La proposition puis l’exploitation d’un modèle analytique dédié, nous a permis de démontrer l’intérêt de la longue masse. Ce modèle permet notamment d’étudier les aspects électromécaniques de manière adimensionnelle et de dresser des conclusions générales sur le dimensionnement de poutres très fortement couplées. Sur un autre aspect, les travaux réalisés montrent que, pour les matériaux piézoélectriques couramment utilisés en récupération d’énergie, le coefficient de couplage électromécanique global d’une poutre est maximisé lorsque les déformations latérales sont minimisées. Cet effet peut être obtenu par la maximisation de la largeur de la poutre (état de déformation plane) ou alors par la fixation de barreaux latéraux sur cette dernière. Afin de valider expérimentalement l’intérêt d’une longue masse mobile, un récupérateur à base de matériau monocristallin très fortement couplé (PMN-PT) est proposé. Deux récupérateurs à base de matériau céramique (PZT) sont également proposés afin de montrer l’influence de la largeur de la poutre sur le coefficient de couplage électromécanique global. Les récupérateurs testés avec des charges résistives en conditions vibratoires laissent présager de grands potentiels en matière d’ajustement de fréquences (plus de 10% de leurs fréquences de résonance). Dans le cadre de ces travaux de recherche, un des prototypes a notamment été testé avec un circuit de gestion électrique dédié permettant un ajustement automatique sur une large bande de fréquences (plus de 17% de la fréquence de résonance). Pour finir, un modèle phénoménologique non-linéaire est présenté à la fin de cette thèse. Il permet de considérer et de comprendre l’influence des pertes mécaniques et diélectriques sur le comportement et les performances (puissance récupérée et bande passante) des récupérateurs.

Vibration energy harvesting focuses on using vibrations to power wireless sensors nodes in locations where batteries cannot be used or changed. In this context, the use of piezoelectric resonant structures enables to harvest significant electrical power. However, this performance is reached only over a very limited frequency band (typically a few percent of the resonance frequency of the harvester). In response to this problem, electrical techniques capable of tuning the resonance frequency of piezoelectric harvesters have been developed in recent years. In order to achieve an interesting operating frequency range through these techniques, piezoelectric harvesters must have a very strong global electromechanical coupling. This thesis therefore focuses on the modeling, design and characterization of very strongly coupled piezoelectric energy harvesters for broadband vibration energy harvesting. In this thesis, it is shown that the cantilever beam with a long proof mass at its free end is the most relevant configuration to optimize the global electromechanical coupling coefficient. The proposal and then the exploitation of a dedicated analytical model, allowed us to demonstrate the interest of the long mass. In particular, this model allows us to study the electromechanical aspects thanks to nondimensionalized parameters and to draw general conclusions on the design of very strongly coupled cantilevers. On another aspect, the work carried out shows that, for piezoelectric materials commonly used in energy harvesting, the global electromechanical coupling coefficient of a cantilevers is maximized when lateral deformations are minimized. This effect can be obtained by maximizing the width of the beam (plane strain state) or by attaching lateral bars to the beam. In order to validate experimentally the interest of a long proof mass, a harvester based on a very strongly coupled single crystal (PMN-PT) is proposed. Two harvesters based on ceramic material (PZT) are also proposed in order to show the influence of the ...