Brevet FR2828256A1 — publié le 20030207

La présente invention concerne un dispositif qui permet d'amortir une structure vibrante en utilisant une technique d'amortissement semi-passif. Cette invention, qui utilise des éléments piézoélectriques associés à un commutateur électrique et à une charge, ne nécessite aucune source de puissance électrique et n'entraîne pas de nuisances sonores dans le domaine audible par l'homme. Le domaine technique concerné par la présente invention est le contrôle des vibrations et le confort acoustique. La technique d'amortissement semi-passif qui fait l'objet de ce brevet utilise des éléments piézoélectriques fixés à la structure à amortir (par collage, par exemple) qui convertissent une partie de l'énergie mécanique en énergie électrique. La dissipation de l'énergie mécanique est obtenue par dégradation de l'énergie électrique stockée dans les éléments piézoélectriques. L'invention consiste à connecter à l'aide d'un commutateur électrique (par exemple, un transistor), pendant une durée très brève devant la période caractéristique des vibrations, par exemple, de l'ordre du cinquantième de cette période, les éléments piézoélectriques fixés à la structure à amortir, sur un court-circuit, ou sur une résistance électrique, ou sur une self correctement choisie pour amplifier l'effet d'amortissement, chaque fois que la tension sur les éléments piézoélectriques passe par un maximum ou un minimum. La commutation introduit une discontinuité sur le signal de tension des éléments piézoélectriques qui a pour effet de créer un amortissement vibratoire et de générer un spectre de fréquence large pouvant exciter des harmoniques supérieures de l'état vibratoire initial. Lorsque ces harmoniques vibratoires se situent dans le domaine audible, elles peuvent occasionner, par couplage vibro-acoustique, une gêne acoustique si leurs amplitudes sont suffisamment élevées. L'invention permet également de réduire très fortement la pression acoustique rayonnée par les harmoniques vibratoires et donc de réduire le taux d'harmoniques, et/ou de réduire les bruits audibles parasites, et/ou de réduire les nuisances acoustiques générés lors de l'utilisation de l'amortisseur semi-passif tout en conservant l'effet d'amortissement vibratoire sur le spectre vibratoire initial. Ces résultats sont obtenus en plaçant une résistance électrique en série avec le commutateur électrique et le court-circuit ou la self de façon à augmenter le temps de décharge des éléments piézoélectriques et, par là même, limiter les hautes fréquences générées lors de la commutation. En choisissant correctement le temps caractéristique de décharge, ce qui revient à fixer la valeur de la résistance pour une configuration donnée des éléments piézoélectriques, on évite le rayonnement acoustique des harmoniques vibratoires tout en conservant un fort effet d'amortissement des vibrations initiales. Selon des modes particuliers de réalisation : 1 - la résistance électrique série est constituée par tous ou une partie des fils électriques résistifs de liaisons situés entre l'élément piézoélectrique et le commutateur, le commutateur et le court-circuit, le commutateur et la self. - la résistance électrique série est intégrée dans la self en choisissant une qualité de fil constituant la self de résistance linéique adaptée à l'application. - le commutateur électrique (transistor MOS, bipolaire, thyristor, triac, opto-transistor) est choisi en fonction de sa résistance série. Les dessins annexés illustrent l'invention : - la figure 1 représente le dispositif de l'invention avec une résistance électrique placée en série avec la self. - la figure 2 représente le dispositif de l'invention avec des fils électriques de liaisons à résistance contrôlée reliant le commutateur électrique à la self. - la figure 3 représente la contrainte mécanique S et la tension électrique U sur l'élément piézoélectrique lorsqu'il est soumis à une contrainte sinusoidal. - la figure 4 représente la contrainte mécanique S et la tension électrique U sur l'élément piézoélectrique lorsqu'il est soumis à une contrainte sinusoidal et lorsqu'il est commuté sur un court-circuit. - la figure 5 représente le circuit d'inversion de la tension U - la figure 6 représente l'évolution de la tension U aux bornes de l'élément piézoélectrique chargé lorsqu'il est connecté sur une self. - la figure 7 représente la contrainte mécanique S et la tension électrique U sur l'élément piézoélectrique lorsqu'il est soumis à une contrainte sinusoidal et lorsqu'il est commuté sur une self. - la figure 8 représente une variation rapide de la tension U aux bornes de l'élément piézoélectrique (pas de résistance série). - la figure 9 représente la réponse fréquentielle de la pression acoustique rayonnée A par une structure mécanique pour la variation de tension U rapide représentée figure 8. - la figure 10 représente une variation lente de la tension U aux bornes de l'élément piézoélectrique (présence d'une résistance série). - la figure 11 représente la réponse fréquentielle de la pression acoustique rayonnée A par une structure mécanique pour la variation de tension U lente représentée figure 10. En référence au dessin de la figure 1, le dispositif comporte une résistance électrique (1) reliée d'un côté au commutateur électrique (2) et de l'autre à la self (3), l'ensemble étant relié à l'élément piézoélectrique (4) Dans la forme de réalisation selon la figure 2, la résistance électrique fait partie des fils de liaisons (5) reliant le commutateur électrique à la self. Le principe de fonctionnement d'un tel amortisseur consiste à placer judicieusement un élément piézoélectrique sur une structure mécanique vibrante de manière à ce qu'il soit soumis à une contrainte mécanique harmonique S ce qui va entraîner une variation de sa charge électrique et donc de la tension U à ses bornes (voire la figure 3). Pour obtenir un amortissement de la structure vibrante, il suffit de court-circuiter pendant un temps court (de l'ordre de 2 msec pour une fréquence de vibration de 10 Hz) l'élément piézoélectrique (qui se comporte comme une capacité) chaque fois que sa charge est maximale (en tl) et minimale (en t2) (voire la figure 4). De cette façon on introduit un déphasage entre la contrainte S et la tension U ce qui entraîne un amortissement de la structure vibrante. Pour augmenter l'efficacité du dispositif (20 dB de réduction de l'amplitude de la vibration sur une poutre en acier vibrant à 10 Hz), il est possible de commuter pendant un temps correspondant à la pseudo pulsation d'un circuit L C (voire la figure 5), l'élément piézoélectrique C (de capacité égale à 1 nF) sur une self L (de valeur égale à 5 mH) de manière à inverser rapidement (temps de l'ordre de 2 msec pour une fréquence de vibration de 10 Hz) la tension aux bornes de C (voire la figure 6). On obtient alors une tension électrique U aux bornes de l'élément piézoélectrique telle que celle représentée à la figure 7. Les instants représentés par t6.) correspondent aux temps de connection de C (élément piézoélectrique) sur L et donc à l'inversion de la tension aux bornes de C (moitié de la pseudo-pulsation ou pseudo période). Ce type de commande présente néanmoins un gros défaut si le temps d'inversion de la tension est trop bref. En effet, lors de la commutation de C sur L, la tension sur la capacité passe brutalement de +Uo à-Uo ou inversement soit 2Uo de variation de tension. Cette variation de tension va imposer une contrainte importante dans la céramique et cette dernière étant couplée mécaniquement à la structure à amortir, le brutal régime transitoire qui en découle va exciter la structure sur tous ses modes de vibration. La figure 9 représente, par exemple la réponse fréquentielle de la pression acoustique rayonnée A par une structure mécanique pour le signal d'excitation U représenté à la figure 8. Les amplitudes de pression restent grandes sur les harmoniques de rang élevés ce qui peut entraîner des niveaux sonores importants aux fréquences correspondantes. Lors de l'amortissement d'une structure vibrant à fréquence faible (quelques centaines de hertz), des sons pourront être générés dans la bande de fréquence la plus sensible de l'oreille (autour de 1 KHz) entraînant des nuisances sonores importantes. Cela se produira si une ou des fréquences sont identiques pour les modes de vibration de la structure et pour le spectre généré par la commutation car ils seront amplifiés. Par contre, si la variation du temps d'inversion To de la tension aux bornes de C est maîtrisée (figure 10) au niveau de la pseudopériode du circuit L C, cela permet, comme le montre la figure 11 d'atténuer fortement l'amplitude des harmoniques et donc de réduire les nuisances sonores. La solution consiste à maîtriser le temps d'inversion de la tension aux bornes de la capacité (élément piézoélectrique), soit en plaçant en série avec la self (ou avec le court-circuit) une résistance (de l'ordre de quelques centaines d'Ohms) de façon à augmenter le temps de décharge de l'élément piézoélectrique et, par là même, limiter les hautes fréquences générées lors de la commutation, soit en calculant judicieusement la valeur de la self connaissant la valeur de la capacité. REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant d'amortir une structure vibrante en utilisant un amortisseur piézoélectrique semi-passif caractérisé en ce qu'il comporte des éléments piézoélectriques (4) fixés sur la structure vibrante à amortir et reliés par l'intermédiaire d'un commutateur électrique (2) (par exemple, un transistor) à un court-circuit, ou à une résistance, ou à une self (3), le commutateur électrique (2) étant commandé de manière à connecter, pendant une durée très brève devant la période caractéristique des vibrations, par exemple, de l'ordre du cinquantième de cette période, les éléments piézoélectriques (4) sur le court-circuit, ou sur la résistance, ou sur la self (3), chaque fois que la tension électrique sur les éléments piézoélectriques (4) passe par un maximum ou un minimum. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, pour réduire les nuisances acoustiques, et/ou réduire le taux d'harmoniques, et/ou réduire les bruits audibles parasites générés lors de l'utilisation d'un amortisseur piézoélectrique semi-passif, une résistance électrique (1) placée en série avec le commutateur électrique (2). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la résistance électrique série (1) est constituée par tout ou une partie des fils électriques de liaisons (5) situés entre l'élément piézoélectrique (4) et le commutateur électrique (2), et/ou entre le commutateur électrique (2) et le courtcircuit ou la self (3). 4) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la résistance électrique série est intégrée dans la self (3). 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le commutateur électrique (2) (transistor MOS, bipolaire, thyristor, triac, opto-transistor) est choisi en fonction de sa résistance série.