Résonateurs piézoélectriques
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Résonateurs piézoélectriques

PYTHEAS

9 mars 2023

Contrôle vibratoire et résonateurs piézoélectriques

Il y a un an, PYTHEAS Technology vous annonçait le démarrage de sa première thèse. Nous pouvons désormais vous en dire davantage sur les travaux de recherche menés par Floriane Peyrouse, doctorante chez PYTHEAS Technology, dans le cadre de sa thèse « Résonateurs piézo-électriques robustes : application au contrôle vibratoire basses fréquences et à la récupération d’énergie ».

 

Cette thèse s’inscrit dans le domaine du contrôle vibratoire, et plus précisément dans le dimensionnement d’absorbeurs de vibrations. Si le sujet ne vous est pas familier, nous vous invitons à lire notre dernier article sur les résonateurs piézoélectriques et les travaux de PYTHEAS Technology. Vous trouverez la suite ici avec nos différentes pistes d’optimisation et les retours sur les premiers mois de thèse de Floriane.

 

La thèse de Floriane s’inscrit dans un objectif d’optimisation des absorbeurs piézo-électriques. Plusieurs enjeux technologiques permettraient d’améliorer les résonateurs déjà existants et d’accroitre la gamme d’applications possibles.

Résonateurs piézoélectriques
Résonateurs piézoélectriques

Pistes d’optimisation des résonateurs piézoélectriques 

Diminution de la fréquence de travail jusque 10Hz

Plusieurs cas d’applications ont motivé un travail de réduction de la fréquence propre des résonateurs piézoélectriques, et donc la fréquence de travail pour laquelle ils peuvent être optimisés. L’application utilisant le phénomène de VIV (Vortex Induced Vibration) pour générer de l’électricité a notamment été étudiée au sein de PYTHEAS Technology. Ce dispositif a pour objectif d’extraire l’énergie des courants marins de faible vitesse afin de produire de l’énergie électrique. Lorsqu’un cylindre est positionné perpendiculairement au sens du courant, sous l’action des vortex qui se créent en aval du cylindre, une force de poussée est appliquée sur ce dernier, qui oscille alors. Le projet de PYTHEAS Technology est donc d’exploiter ce phénomène en disposant des grilles de cylindres dans la mer et d’employer des résonateurs piézoélectriques pour convertir l’énergie de leurs oscillations. Cette technologie a notamment été développée lors des projets PyVIV et PyCHARGE . Le phénomène de VIV correspond à des fréquences de l’ordre de la dizaine de Hertz, ce qui motive l’objectif de diminution de la fréquence de travail.

Robustesse en fréquence

L’objectif primordial de la thèse est d’augmenter la robustesse en fréquence des résonateurs piézoélectriques. Les résonateurs classiques sont dimensionnés pour une fréquence donnée. Leurs performances seront dégradées si cette fréquence a mal été estimée ou si elle varie au cours du temps. Le développement d’un absorbeur robuste est donc nécessaire pour opérer sur une plus large gamme de fréquences. Deux méthodologies peuvent être appliquées : réaliser un dispositif dont la fréquence est adaptable afin d’ajuster manuellement sa valeur en changeant certains paramètres du système, ou réaliser un dispositif performant sur une large bande de fréquences du fait de ses caractéristiques.

Retour sur les premiers mois de la thèse

Lors de l’élaboration du sujet de thèse, il a été décidé de s’orienter vers l’ajout d’une non-linéarité mécanique.

Les absorbeurs de vibrations non-linéaires, aussi appelés Nonlinear Energy Sinks (NES) sont caractérisés par une raideur non-linéaire. Le déplacement de l’absorbeur n’est alors plus proportionnel à la force appliquée. La relation qui les relie peut par exemple être cubique : F=k1.x+k3.x3. Ce phénomène permet aux NES de se synchroniser avec les oscillations de la structure à contrôler. La conception de résonateurs piézoélectriques comportant une raideur non-linéaire permettrait donc de se rapprocher du comportement des NES et d’accroitre leur robustesse en fréquence. Ils pourraient ainsi naturellement répondre à la fréquence propre de la structure même si celle-ci évolue. L’objectif technique de la thèse est donc d’ériger les différentes règles de conception d’un tel NES piézoélectrique.

En raison de cette non-linéarité, les NES sont en revanche sensibles au niveau d’amplitude de la sollicitation, i.e. à la magnitude de la force appliquée, et doivent être correctement dimensionnés pour y correspondre. L’amortissement apparait notamment comme un paramètre critique qui doit être correctement implémenté, or l’amortissement mécanique est subi et par conséquent peu ajustable. La présence d’éléments piézoélectriques et d’un shunt électrique permet de modifier les paramètres du système complet. Les composants électriques affectent la dynamique des composants mécaniques, et inversement, grâce à la conversion électromécanique qui a lieu. L’ajout d’une résistance dans le shunt permettrait de créer un amortissement dans le domaine électrique. La valeur de cette résistance pourrait être ajustée pour que l’amortissement total corresponde à la valeur optimale.

Les premiers mois de la thèse se sont concentrés sur l’appropriation des méthodes analytiques permettant l’étude des NES. Des indicateurs de performance ont ainsi pu être érigés pour comparer leur comportement aux TMD. Différentes méthodes d’optimisation basées sur ces indicateurs sont en cours d’étude pour déterminer les paramètres optimaux du résonateur. La réalisation d’un prototype reposera ensuite sur la retranscription des valeurs optimales de raideurs et d’amortissement respectivement dans les domaines mécaniques et électriques.

Résonateurs piézoélectriques
Résonateurs piézoélectriques

Voilà donc ce que nous pouvons vous dire sur l’avancement de cette thèse sur les résonateurs piézoélectriques. Floriane poursuit ses recherches et tests, que nous espérons pouvoir vous partager prochainement.

D’ici-là, si le sujet vous intéresse et que vous souhaitez en discuter, n’hésitez pas à nous contacter à l’adresse contact@pytheas-technology.com ou à envoyer un message directement à Floriane : floriane.peyrouse@pytheas-technology.com.