Brevet FR2677415A1 — publié le 19921211

DISPOSITIE ACTIF DE COMPENSATION DE VIBRATIONS MECANIQUES La présente invention concerne le domaine de l'amortir sement des vibrations mécaniques; elle a plus particulièrement pour objet un dispositif actif de compensation de ces vibrations. Ainsi qu'il est connu il est nécessaire de protéger les matériels et équipements fragiles des vibrations mécaniques qui peuvent exister dans leur environnement, ces vibrations perturbant leur fonctionnement et pouvant entraîner jusqu'à leur destruction ; c'est par exemple le cas des matériels électroniques embarqués dans des vehicules terrestres ou aériens, que ce soit à des fins civiles ou militaires. I1 est possible de traiter ce problème au niveau même de la conception du matériel, en utilisant par exemple des composants particuliers, en renforçant les supports des circuits électroniques, en entourant les circuits de suspensions et amortisseurs spécifiques, etc... Cette solution, qui nécessite une conception particulière et du matériel supplémentaire, présente l'inconvénient d'être fort coûteuse.Une autre solution consiste à utiliser un matériel standard, non particulièrement étudié à cet égard, et de lui adjoindre des systèmes d'amortissement passifs classiques ; cette solution présente toutefois également des inconvénients : son efficacité est limitée à une certaine bande de fréquence des vibrations, au-delà de laquelle elle n'assure plus l'amortissement des vibrations et parfois même les amplifie, selon un processus de résonance ; la fréquence de résonance peut se trouver dans le spectre de fréquence des vibrations à amortir et il est difficile, souvent impossible, de la déplacer ; de plus ces dispositifs sont encombrants, ce qui est un inconvénient évident pour des matériels embarqués dans des véhicules où l'espace est forcément limité. La présente invention a pour objet d'éviter ou, au moins, de réduire les inconvénients et limitations précédents. A cet effet, le dispositif selon l'invention utilise principalement deux transducteurs électromécaniques pour, d'une part, détecter la vibration à amortir et, d'autre part, engendrer une onde mécanique qui compense aussi exactement que possible la vibration initiale et, ce, avant que la vibration à amortir n'ait atteint l'élément à isoler. Plus précisément, le dispositif de compensation selon l'invention est interposé entre l'élément à isoler mécaniquement et son support, susceptible de vibrer. Le dispositif comporte - un premier transducteur électromécanique, disposé sur le support et fournissant un signal électrique représentatif de la vibration mécanique à compenser - un deuxième transducteur électromécanique1 disposé sur l'élément à isoler ; il reçoit un signal électrique fonction de celui qui est fourni par le premier transducteur, de façon à engendrer une onde mécanique - des moyens de déphasage du signal électrique ou de la vibration, de sorte que l'onde mécanique compense la vibration qui le traverse. D'autres particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, un schéma synoptique du dispositif selon l'invention - les figures 2a et 2b, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - les figures 3a, 3b et 3c, un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 4, un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Par ailleurs, pour la clarté des dessins, I'échelle réelle n'a pas été respectée. La figure 1, est donc un schéma synoptique du dispositif selon l'invention. Sur ce schéma, on a représenté un élément M quelconque, tel qu'un équipement ou matériel électronique, que l'on désire protéger des vibrations engendrées par l'environnement extérieur. Ce matériel M est supporté par un bâti ou support B qui, lui, est soumis à ces vibrations extérieures. Selon l'invention, entre le matériel M et son support B est disposé un dispositif de compensation de vibrations. Ce dispositif comporte un premier transducteur électromécanique TC, en contact mécanique avec le support B. Ce tranducteur a une fonction de capteur et fournit un signal électrique S représentatif de la vibration mécanique du support B. Le dispositif de l'invention comporte encore un second transducteur électromécanique, repéré TA, disposé sur le matériel à isoler M. I1 comporte également, dans ce mode de réalisation, une couche d'un matériau dissipateur D disposée sur le bâti B et, entre le transducteur T A et le dissipateur D, une couche d'un matériau retard R. Le signal électrique représentant la vibration mécanique subie par le bâti B est fourni au transducteur TA, le cas échéant par l'intermédiaire d'un circuit CS de calcul et de génération de signal, qui élabore un signal S' à partir du signal S qu'il reçoit. Parallèlement, la vibration mécanique subie par le bâti B se propage à travers le dissipateur D, dont on verra la fonction ci-après, et la couche R dans laquelle elle subit un retard ( At) prédéfini, pour atteindre le transducteur TA. Celui-ci est un élément actif qui a pour fonction, sous commande du signal électrique qu'il reçoit, d'engendrer une onde mécanique de compensation telle que la résultante des déplacements dûs à la vibration mécanique incidente et ceux dûs à l'excitation électrique soit sensiblement nulle.Pratiquement, cela revient à engendrer dans l'élément actif TA une onde qui soit en opposition de phase par rapport à la vibration qu'il reçoit. Ceci est réalisé dans la variante représentée Figure 1 par le circuit C5 > qui impose au signal qu'il reçoit un déphasage de 1800. Le matériau retard R a pour fonction de compenser le temps (At) nécessaire à la détection de l'onde mécanique dans le transducteur Toc, au déphasage du signal électrique produit puis à l'activation du transducteur TA; ce temps est assez court, typiquement de l'ordre de la microseconde. Dans une variante de réalisation, on supprime le matériau retard R et on corrige le déphasage à appliquer au signal électrique pour tenir compte du temps A t. Dans une autre variante de réalisation, les moyens de déphasage de 1800 sont constitués par le matériau retard R; le déphasage de 1800 se trouve ainsi réalisé sur la vibration mécanique et non plus sur le signal électrique. L'élément dissipateur D a pour fonction de diminuer l'énergie globale de vibration entre support B et matériel M; cet élément n'est pas indispensable ; lorsqu'il existe, il peut être disposé entre le bâti et l'élément retard ; on peut également choisir pour l'élément R un matériau tel qu'il assure également une fonction de dissipation. Le transducteur TC peut être par exemple un capteur accélérométrique ou piézoélectrique. Le transducteur TA peut être un élément actif piézoélectrique. Par tailleurs, selon une variante non représentée, il est possible d'ajouter un troisième transducteur électromécanique sur l'élément M pour y détecter les éventuelles vibrations et, relié au circuit Cs, agir en contre-réaction de façon à réguler le système en corrigeant dérives et dispersions. I1 apparaît ainsi que le dispositif selon l'invention réalise non pas un amortissement passif des vibrations indésirabes, mais une compensation de ces vibrations à l'intérieur de l'élément actif TA, avant que celles-ci n'aient atteint l'élément M qu'on veut isoler des vibrations. La figure 2a, représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur cette figure, on retrouve le bâti B assurant le support du matériel M qu'on veut isoler des vibrations. Dans ce mode de réalisation, les différents éléments constitutifs du dispositif selon l'invention sont connectés mécaniquement en série entre le bâti B et matériel M. On trouve tout d'abord, disposé contre le bâti B, l'élément dissipateur D, réalisé par exemple par une couche de caoutchouc. Sur le dissipateur D est disposé le premier transducteur Tc, réalisé ici à l'aide d'un disque en matériau piézoélectrique. Sur le transducteur TC est disposé le matériau retard R, réalisé par exemple à l'aide d'un matériau polyethylène. Enfin, complétant le dispositif mécanique et disposé contre le matériel à isoler M, on trouve le second transducteur TA, réalisé par exemple à l'aide d'un empilement de disques piézoélectriques.Le signal S produit par le capteur TC est déphasé de 180 et éventuellement remis en forme par le circuit Cs, avant d'être appliqué (signal S') à l'élément actif TA. La figure 2b, représente un mode de réalisation d'un empilement de disques piézoélectriques, par exemple deux disques, formant le tranducteur TA. Les deux disques, repérés 21 et 22, sont réalisés en matériau piézoélectrique, tel que céramique PZT (plomb-zircontitanate) ou plastique PVF2 (polyfluorure de vinylidène) ; ils sont chacun recouverts sur leurs grandes faces d'une métallisation (23 et 24 pour le disque 21, 25 et 26 pour le disque 22) formant électrode. Les disques sont montés en parallèle, c'est-à-dire que les électrodes 23 et 25 sont reliées entre elles pour former une borne B1 et les électrodes 24 et 26 sont reliées également entre elles pour former une borne B2. Le transducteur TC est réalisé par exemple par un seul de ces disques, avec ses métallisations. En fonctionnement, ainsi qu'il est connu, la vibration mécanique à amortir engendre dans le premier transducteur TC une différence de potentiel entre les électrodes du disque, représentative de la vibration. Dans ce mode de réalisation, cette différence de potentiel est appliquée, via le circuit C entre les bornes 1 et 2 de l'empilement actif T entre les bornes B et B de A et engendre à son tour dans le transducteur TA une onde mécanique qui se superpose à la vibration provenant du bâti B. Le matériau formant la couche R et son épaisseur sont choisis pour que le retard qu'il imprime à la vibration qui le traverse compense le temps At et que la vibration se retrouve dans le transducteur TA en opposition de phase avec l'onde qui y est créée sous la commande du signal S', de sorte que la résultante de l'onde et de la vibration soit nulle. L'avantage d'utiliser, pour les deux transducteurs TC et TA, des matériaux piézoélectriques est que le signal électrique produit par l'un (Tc) peut être, après déphasage, appliqué à l'autre (TA). En outre, si on choisit le même matériau pour les deux transducteurs, il est possible de s'affranchir au moins partiellement des dérives dues à la température et au vieillissement. La figure 3a, représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, qui utilise un bilame piézoélectrique. Sur cette figure, vus en coupe, on retrouve le support B du matériel M, par l'intermédiaire du dispositif selon l'invention. Le dispositif de l'invention se compose ici d'un bilame piézoélectrique TAB, comportant deux lames piézoélectriques 31 et 32, encastré dans le bâti B et supportant le matériel M. Le bâti B comporte un logement 30 pour l'encastrement du bilame TAB. La surface du logement 30 est recouverte d'une couche du matériau dissipateur D. Enserrés dans la couche D, on trouve successivement, de bas en haut sur la figure : une couche TCl du matériau formant le capteur, une couche R1 du matériau retard, le bilame TAB une deuxième couche R2 du matériau retard et enfin une deuxième couche T02 du matériau formant le capteur.Les deux éléments T01 et TC2 sont par exemple chacun constitué par un disque piézoélectrique et sont interconnectés comme représenté sur la figure 2b ; le signal S est alors disponible entre les bornes B1 et B2. Les couches des éléments Tc, R et TAB sont disposés de préférence de sorte à être sans contact avec le fond du logement 30 recouvert par le matériau D. Le bilame piézoélectrique TAB est constitué par deux lames piézoélectriques superposées 31 et 32, destinées à être polarisée en opposition par le signal fourni par le capteur Tc, après déphasage comme précédemment (par le circuit non représenté sur la figure 3a). Deux montages électriques sont possibles, comme le montrent les figures 3b et 3c. Sur ces figures on retrouve les deux lames 31 et 32 empilées ; on a représenté par des surépaisseurs les électrodes qui s'étendent sur chacune des grandes faces des lames. Sur la figure 3b, les lames sont connectées en série, c'est-à-dire que les électrodes extérieures 33 et 34 des lames 31 et 32 respectivement forment les deux bornes B3 et B4 du bilame. Sur la figure 3c, le bilame TAB est représenté de la même manière mais les lames 31 et 32 sont maintenant connectées en parallèle c'est-à-dire que les électrodes extérieures 33 et 34 sont reliées à une même borne B6 du bilame, alors que l'autre borne B5 est reliée aux électrodes internes 35 et 36. L'avantage de ce mode de réalisation par rapport au précédent est de permettre, pour un même encombrement, de compenser des vibrations de plus grande amplitude. La figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans ce mode, le matériel à isoler est constitué par une carte de circuit imprimé CI et le bâti support B de cette carte présente deux encoches formant glissière, dont l'une est représentée sur la figure en 40, dans lesquelles la carte de circuit imprimé vient se loger. Selon l'invention, on dispose successivement dans cette glissière 40 : le transducteur TC, destiné à capter la vibration, disposé sur une première face 41 de la glissière ; le matériau retard R, puis le transducteur TA. La carte CI repose sur le transducteur T A et elle est bloquée dans cette position par exemple par un ressort 41, disposé entre la carte CI et l'autre face 42 de la glissière ; le ressort 41 est par exemple une lamelle métallique en forme de tôle ondulée et fixée à l'une de ses extrémités sur la face 42. De préférence, les éléments Tc, R, TA, 41 sont disposés de sorte à n'être pas en contact avec le fond de la glissière 40. Comme précédemment, le signal (non représenté) détecté par le capteur TC, qui peut être constitué par un disque piézoélectrique comme illustré sur les figures 2, est appliqué après déphasage à l'élément actif TA ; ce dernier peut également être constitué comme illustré sur les figures 2, par un empilement de disques piézoélectriques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de compensation des vibrations d'un support (B) portant un élément (M) dont on souhaite minimiser les vibrations comportant - un premier transducteur électromécanique (tu), disposé en contact mécanique avec le support et fournissant un signal électrique (S) représentatif de la vibration mécanique à compenser ; - un deuxième transducteur électromécanique (TA), disposé sur ledit élément (M), recevant un signal électrique fonction de celui qui est fourni par le premier transducteur, qui engendre dans le deuxième transducteur une onde mécanique - des moyens de déphasage du signal électrique ou de la vibration, de sorte que l'onde mécanique compense sensiblement la vibration qui le traverse. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de déphasage sont réalisés par un circuit (C,) imprimant un déphasage au signal électrique (S) fourni par le premier transducteur. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un matériau (R) reliant le support au deuxième transducteur et imposant à la vibration mécanique un retard prédéfini. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le premier transducteur (Tc) est en matériau piézoélectrique. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le deuxième transducteur (TA) est en matériau piézoélectrique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le deuxième transducteur (TA) est constitué par un empilement de disques piézoélectriques (21, 22) connectés en parallèle. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le deuxième transducteur est un bilame piézoélectrique, encastré dans le support par l'intermédiaire du premier transducteur. 8. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le matériau retard (R) est un polyéthylène. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédents, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un matériau dissipateur (D), disposé entre le support (B) et l'élément (M) de sorte à diminuer l'énergie de vibration. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le matériau dissipateur (D) est un caoutchouc.