Amortissement vibratoire de plusieurs résonances par réseau piézoélectrique interconnecté

SUJET DE THÈSE CIFRE-DÉFENSE CNAM-NAVAL GROUP
OCTOBRE 2023

Lien Naval Group

Mots clés : dynamique des structures, modélisation éléments finis, piézoélectricité, amortissement vibratoire

Sujet :

Dans le cadre de l'amélioration de la discrétion acoustique, il est nécessaire de réduire les bruits émis par certaines structures composant les navires. La réduction de ces bruits est directement liée à la diminution des niveaux vibratoires de ces structures. Pour cela, diverses techniques passives peuvent être utilisées, comme l'amortisseur à masse accordée (Tuned Mass Damper ou TMD), l'ajout de matériau viscoélastique ainsi que l'amortissement par shunt piézoélectrique qui fait l'objet de ce sujet de thèse.

L'amortissement vibratoire par shunt piézoélectrique résonant est une technique qui permet de réduire le niveau vibratoire des structures et, in fine, leur bruit rayonné. Cette technique consiste à coupler un résonateur électrique à une structure mécanique munie de composants piézoélectriques [1]. La résonance électrique est réglée à la fréquence du mode à contrôler à la manière d'un amortisseur à masse accordée. Si l'on souhaite amortir plusieurs résonances simultanément, il est possible d'utiliser des «shunts multibranches». Plusieurs lignes électriques sont alors connectées à un unique composant piézoélectrique, chacune des lignes étant dédiée au contrôle d'une résonance spécifique. Cependant, cette solution peut rapidement conduire à un nombre très important de composants.

Afin de mutualiser l'ensemble des contributions dans un objectif de contrôle multi-modal (voir Figure 1), il est plus intéressant d'utiliser un réseau interconnecté multi-résonant. Des topologies passives ont été proposées à partir d'analogies électro-mécaniques [2]. Pour le moment, ces solutions restent limitées à des géométries simples et impliquent également un grand nombre de composants électriques. Une technique plus récente [3] permet de définir un système matriciel qui caractérise la dynamique d'un réseau électrique passif réputé optimal, après avoir spécifié un ensemble fini de résonances à contrôler. La limite actuelle est que le réseau est seulement défini sous forme matricielle (voir Figure 2) et non à la manière d'un agencement explicite de différents composants électriques passifs (inductances, transformateurs et condensateurs). Ceci constitue donc l'un des principaux verrous scientifiques qu'il convient de lever avant de pouvoir mettre en œuvre un réseau piézoélectrique réellement passif pour le contrôle multimodal d'une structure complexe. Les essais seront menés sur une maquette simplifiée de structure représentative.

Figure 1 : Amortissement multi-modal par réseau piézoélectrique multi-résonant [3]
Figure 2 : Synthèse d’un réseau interconnecté à partir d’un formalisme matriciel [3]

Proposition de programme de thèse :

  • Première année :
    • Bibliographie sur les techniques d'amortissement piézoélectrique multimodal
    • Prise en main des modèles électro-mécaniques
    • Application de la méthode de shunts multi-branches et simulation numérique
    • Application de la méthode de réseau interconnecté et simulation numérique
    • Validations expérimentales avec système de contrôle temps réel (non passif)
  • Deuxième année :
    • Détermination des réseaux électriques à partir d'une formulation matricielle
    • Application de la méthode au cas particulier validé numériquement
    • Validations expérimentales avec réseau électrique passif
  • Troisième année :
    • Extension des travaux à une structure plus réaliste que la maquette initiale
    • Prise en compte de la mise en eau et réflexion sur les problématiques d'intégration
    • Rédaction du manuscrit

Aspects pratiques :

  • Profil du candidat
    • Le ou la candidat·e (titulaire d'un Master Recherche ou d'un diplôme d'Ingénieur) devra avoir un goût prononcé pour la modélisation multiphysique et l'expérimentation ainsi que posséder des compétences en dynamique des structures.
    • Des connaissances en calcul éléments finis et piézoélectricité seraient appréciées
    • Motivé·e et autonome, le ou la candidat·e a une bonne capacité d'adaptation
    • Il ou elle est organisé·e et méthodique et est à l'aise avec la lecture d'articles scientifiques
    • La maîtrise de l'anglais est nécessaire
  • Lieu de la thèse
    • Laboratoire d'accueil : Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés (LMSSC) au Conservatoire national des arts et métiers (Cnam), Paris
    • Entreprise d'accueil : Naval Group, Site de Cherbourg, Service Environnement Militaire Acoustique
  • Encadrement

Références :

  1. O. Thomas, J. Ducarne, J.-F. Deü, Performance of piezoelectric shunts for vibration reduction, Smart Materials and Structures, 21 (1), 015008 (16 pages), 2012. doi
  2. R. Darleux, B. Lossouarn, J.-F. Deü, Broadband vibration damping of non-periodic plates by piezoelectric coupling to their electrical analogues, Smart Materials and Structures, 29 (5), 054001 (16 pages), 2020. doi
  3. G. Raze, J. Dietrich, B. Lossouarn, G. Kerschen, Modal-based synthesis of passive electrical networks for multimodal piezoelectric damping, Mechanical Systems and Signal Processing, 176, 109120 (16 pages), 2022. doi