Semi-passive control strategy using piezo ceramic patches in non linear commutation architecture for structural-accoustice smart systems

par Monica Ciminello

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Leonardo Lecce.

  • Titre traduit

    Contrôle semi passif avec structure piézoélectrique dans les architectures de commutation non linéaire appliquée au système acoustique structurelles intelligentes


  • Résumé

    De nombreuses recherches sont aujourd’hui consacrées à l’étude et au développement de stratégies de réduction du bruit et des vibrations. Dans le domaine de l’acoustique comme dans le domaine des vibrations, différentes approches peuvent être envisagées. Une tendance actuelle est d’appliquer des techniques actives qui sont reconnues pour être efficaces sur une large bade de fréquence, mais qui souffrent cependant d’une complexité de mise en oeuvre et d’une nécessité d’un apport d’énergie extérieur qui rendent ces systèmes peu robustes et potentiellement instables. Les techniques passives, qui utilisent par exemple des matériaux isolants, sont quand à elles très efficaces pour les hautes fréquences mais plus limitées en basse fréquence pour un problème de poids et d’encombrement, ce qui peut être un inconvénient dans certaines applications aéronautiques ou aérospatiales où la légèreté est un paramètre primordial. Afin de diminuer le bruit engendré par les vibrations des structures, il est possible d’adopter une approche différente basée sur l’utilisation de systèmes semi-passifs. Cette technique, qui sera utilisée dans ce travail, est réalisée grâce des éléments piézo-céramiques collés à la structure et connectés à un circuit électrique de type shunt résonant avec un interrupteur (switch shunt). L’interrupteur permet d’ouvrir et de fermer le circuit électrique à des moments bien précis de façon à maximiser l’atténuation des vibrations. Par rapport aux systèmes actifs, ce type d’approche est relativement simple à mettre en oeuvre, robuste et stable. De plus, par rapport aux techniques piézoélectriques purement passives, il n’est pas nécessaire de fournir de l’énergie extérieur au système ni d’accorder précisément les composants électrique pour garder une efficacité sur une bande de fréquence relativement large. L’objectif du travail est double. Il s’agit de développer un outil de calcul par éléments finis (basé sur les logiciels Matlab et Nastran) pour simuler la réponse dynamique de système couplés élasto-acoustiques amortis grâce à l’utilisation de pastilles piézoélectriques connectées à un circuit de type shunt avec interrupteur. De plus, des expérimentations sont réalisées de façon à tester un dispositif piézoélectrique original et valider certains développements numériques. Concernant l’expérimentation, une approche originale basée sur l’utilisation d’un tachymètre et de circuits intégrés CMOS (nécessitant une alimentation de 12 V) a été développée. Une adaptation est également proposée pour l’utilisation simultanée de plusieurs patches piézoélectriques. Une modélisation éléments finis d’une structure élastique couplée à une cavité acoustique est tout d’abord réalisée. Les matrices globales des parties fluide, structure et couplage fluidestructure sont extraites du code de calcul Nastran et sont réassemblées dans Matlab selon la formulation classique non symétrique en termes de déplacement de la structure et de pression dans le fluide. Ensuite, la matrice de couplage électro-mécanique est ajoutée pour prendre en compte les effets piézoélectriques. Enfin, le comportement du circuit résonnant avec interrupteur est modélisé et simulé. Etant donné les temps de commutation très courts, une approche temporelle directe (basée sur le shéma de Newmark) a été utilisée de façon à calculer la réponse transitoire du système couplé


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    Among the different strategies oriented to the noise and vibration control, due to their promising properties in terms of limited required power supply, broad band and no tuneable nature, semi-active switched shunt architectures have well done for themselves. The idea of using piezo transducers to convert mechanical into electrical energy and elaborating related signal within an external time variant electrical circuit, represents the inspiring principle of this type of control. A wide amount of efforts has been spent on the semi-active switched shunt control with specific interest in the “synchronised” one; theoretical, numerical, experimental investigations, proved in different ways pros and cons of applications generally confined to the vibration field, in the low frequency band. Also the idea of extending this control to acoustics has been taken into account: problems like the structure-borne sound have been dealt with, implementing switch logic onto piezo networks mounted on structural components. An interesting industrial application in the field of aeronautics and automotive in general, is the interior sound level reduction: in this case a distribution of piezoelectric transducers suitably collocated may lead to remarkable effects, without excessive power consumption. In the present work, a semi analytic approach aimed at estimating the effects on the reduction of pressure sound level by synchronised switched shunt logic, is described. The displacement field within a 1D longitudinal air column through a Fourier series ;expansion has been formalised by assigning a sinusoidal perturbation and fluid–structure interface condition on the left and right boundaries, respectively. At first, a validation procedure has been implemented: both the convergence of the series coefficients and the satisfaction of boundary and initial conditions have been verified. To simulate the no control operative condition, the solution has been computed for the entire time domain, keeping invariant all circuitry properties; then for the switch working modality, solution has been computed by splitting the entire time domain into partitions, each one delimited by the instants at which the circuit is switched on (i. E. , by maxima and minima of the displacement on the right boundary domain); for any partition, specific circuitry properties (e. G. Piezo voltage, electrical field…) have been selected. Based on displacement information, related sound pressure level has been compared for no controlled and controlled operative conditions, with and without signal amplification.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 189-200

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : Th A 668
  • Bibliothèque : Conservatoire national des arts et métiers (Paris). Bibliothèque Centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th A 668 double
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.