Brevet FR2856126A1 — publié le 20041217

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 des éléments passifs, des commutateur électriques et des sources de tension requiert une énergie très faible pour son fonctionnement. A cet égard, 5 l'énergie produite par les éléments piézoélectriques peut être suffisante à sa propre alimentation. Le domaine technique concerné par la présente invention est le contrôle des vibrations mécaniques et le confort acoustique. On connaît des dispositifs passifs d'amortissement de vibrations utilisant des 10 matériaux piézoélectriques, incluant des circuits électriques passifs. Ces dispositifs ont pour particularité d'avoir une efficacité limitée à un domaine de fréquences très restreint. En conséquence, les éléments passifs doivent être déterminés pour les fréquences particulières de vibration d'une structure donnée (voir, par exemple, la demande de brevet US005783898 déposée le 21 Juillet 1998). On connaîit aussi des dispositifs actifs d'amortissement de vibrations utilisant des matériaux piézoélectriques. Dans ces dispositifs actifs, les vibrations de la structure sur laquelle sont fixés les inserts piézoélectriques sont amorties en imposant, par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance, la tension aux bornes desdits inserts piézoélectriques ou le courant absorbé par lesdits inserts piézoélectriques, ces grandeurs électriques étant 20 prédéterminées à l'aide de capteurs et de systèmes complexes de traitement du signal. On connaît également des dispositifs semi-passifs d'amortissement de vibration, tels que celui décrit dans la demande de brevet français N 0110368 du 02/08/2001, qui présentent l'avantage d'être auto-adaptatifs aux différents modes fréquentiels de vibration d'une structure et qui ne nécessitent pas de dispositif complexe de traitement du signal. La présente invention se distingue des dispositifs semi-passifs connus en ce que son circuit électrique particulier permet d'augmenter considérablement l'effet d'amortissement pour une quantité de matériau piézoélectrique donnée. La présente invention se distingue des dispositifs actifs en ce qu'elle ne nécessite pas de procédé complexe de traitement du signal ni d'amplificateur de puissance, que ce soit de type linéaire ou à modulation de largeur 30 d'impulsion, pour alimenter les inserts piézoélectriques. La figure 1, à laquelle il est fait référence ci-après, représente les éléments constitutifs du dispositif de l'invention et leur disposition. Le dispositif selon l'invention permet d'amortir les vibrations d'une structure soumise à une sollicitation mécanique, périodique ou non, par l'intermédiaire d'un insert piézoélectrique (1) fixé sur ladite structure. La différence de potentiel électrique entre les deux électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) est soumise à un traitement nonlinéaire réalisé au moyen d'un circuit électrique comprenant un quadripôle passif (2), dont les deux électrodes d'entrée sont respectivement reliées aux deux électrodes terminales de l'insert 5 piézoélectrique (1). Les deux électrodes de sortie dudit quadripôle passif (2) sont respectivement reliées aux deux électrodes d'un réseau de commutation constitué de n branches (31 à 3n) reliées en parallèle, lesdites branches (31 à 3n,) étant constituées d'un commutateur électrique (41 à 4.) en série avec un dipôle passif (51 à 5,) et une source de tension (61 à 6,,). Le quadripôle passif (2) et les dipôles passifs (51 à 5,) sont constitués de circuits électriques incluant l'un ou plusieurs des éléments passifs suivants: court-circuit, résistance, self-inductance, transformateur, condensateur. La fermeture et l'ouverture des commutateurs électriques (41 à 4n) permet de réaliser un traitement non linéaire de la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1). L'effet 15 d'amortissement des vibrations est obtenu en fermant les commutateurs électriques pendant des durées inférieures au temps caractéristique desdites vibrations et de manière synchrone avec lesdites vibrations, l'un des commutateurs étant, par exemple, fermé à chaque fois que la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique (1) atteint un maximum, et l'un des autres commutateurs étant, par exemple, fermé à chaque fois que la différence de potentiel entre les 20 électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) atteint un minimum. Les durées de fermeture des commutateurs (41 à 4n) permettent de contrôler les variations de la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique (1) de manière, par exemple, à inverser la polarité de ladite tension après qu'elle ait atteint un extremum. Le circuit électrique contenu dans le quadripôle passif (2) permet notamment de fixer 25 la dynamique d'évolution de la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique (1) pendant les durées de fermeture des commutateurs (41 à 4,). Une évolution trop rapide de cette tension est susceptible de générer des vibrations à des fréquences élevées, tandis qu'une évolution trop lente est susceptible de diminuer le domaine de fréquences o le dispositif d'amortissement présente une bonne efficacité. Chaque commutateur électrique (41 à 4.) peut être réalisé au moyen d'un composant à semi-conducteur ou au moyen d'une association de plusieurs composants à semi-conducteurs, tels que des transistors bipolaires, des transistor à effet de champ, des transistors MOS, des transistors IGBT, des thyristors, des triacs, des diodes, etc. La synchronisation des instants de fermeture des commutateurs (41 à 4n) avec les vibrations mécaniques peut être obtenue en utilisant un capteur auxiliaire ou plusieurs capteurs auxiliaires, ou bien en exploitant directement la différence de potentiel électrique délivrée par l'insert piézoélectrique (1), ce qui permet dans ce cas de simplifier grandement le dispositif tout en rationalisant sa consommation. Le circuit de commande des commutateurs (41 à 4n), incluant notamment un dispositif de détection des instants de fermeture desdits commutateurs, peut être alimenté avec une partie de l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique (1). L'énergie électrique pour alimenter les sources de tension (61 à 6n) peut être obtenue à 10 partir de l'énergie fournie par l'insert piézoélectrique (1), ou bien à partir de l'énergie électrique délivrée par d'autres inserts piézoélectriques, ou encore à partir d'une source d'énergie externe. Les fonctions de sources de tension (61 à 6n,,) peuvent être assurées par les enroulements secondaires de transformateurs dont les enroulements primaires sont alimentés 15 par des tensions alternatives synchrones avec les vibrations mécaniques. L'insert piézoélectrique (1) peut comporter un ou plusieurs éléments distincts, reliés électriquement en série, en parallèle ou par composition de ces deux types de liaison. La figure 2 représente un mode particulier de réalisation de l'invention, dans lequel le quadripôle passif (2) est constitué d'un condensateur (2-a) et d'une self-inductance (2-b), et le 20 réseau de commutation comporte deux branches (31 et 32). Dans la première branche (31), le commutateur électrique (41) est constitué d'un transistor MOS-FET canal P en série avec une diode, le dipôle passif (5X) est constitué d'un court-circuit et la source de tension (61) est une source de tension continue constituée par exemple d'une pile électrique. Dans la deuxième branche (32), le commutateur électrique (42) est constitué d'un transistor MOS-FET canal N 25 en série avec une diode, le dipôle passif (52) est constitué d'un court-circuit et la source de tension (62) est une source de tension continue constituée par exemple d'une pile électrique. La figure 3 représente, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2, les chronogrammes du déplacement mécanique S de l'insert piézoélectrique soumis à une vibration mécanique périodique sinusoïdale, de la tension U aux bornes de l'élément 30 piézoélectrique, du courant I dans l'inductance (2-b), de la tension UGs(41) de commande du commutateur (41) et de la tension UGs(42) de commande du commutateur (42). REVENDICATIONS 1) Dispositif permettant d'amortir les vibrations d'une structure soumise à une sollicitation mécanique, périodique ou non, par l'intermédiaire d'un insert piézoélectrique fixé sur ladite structure, la différence de potentiel électrique entre les deux électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) étant soumise à un traitement non-linéaire réalisé au moyen 5 d'un circuit électrique comprenant un quadripôle passif (2) dont les deux électrodes d'entrée sont respectivement reliées aux deux électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) au moyen de conducteurs électriques (7), les deux électrodes de sortie dudit quadripôle étant respectivement reliées aux électrodes terminales d'un réseau de commutation constitué de n branches (31 à 3.) reliées entre elles en parallèle, chaque branche étant constituée d'un 10 commutateur électrique (41 à 4n) en série avec un dipôle passif (51 à 5n) et en série avec une source de tension (61 à 6n), caractérisé en ce que les commutateurs électriques (41 à 4n) sont fermés pendant des durées inférieures au temps caractéristique des vibrations mécaniques et de manière synchrone avec lesdites vibrations, l'un des commutateurs étant, par exemple, fermé à chaque fois que la différence de potentiel entre les électrodes terminales de l'insert 15 piézoélectrique (1) atteint un maximum, l'un des autres commutateurs étant, par exemple, fermé à chaque fois que la différence de potentiel entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) atteint un minimum. 2) Dispositif selon la revendications précédentes, caractérisé en ce que les durées de fermeture des commutateurs électriques (41 à 4n) permettent de contrôler les variations de la 20 différence de potentiel entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les commutateurs électriques (41 à 4n) sont des composants à semiconducteurs ou des agencements de plusieurs composants à semiconducteurs, tels que des transistors bipolaires, des transistor à effet de champ, des transistors MOS, des transistors IGBT, des thyristors, des 25 triacs et des diodes. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que le quadripôle passif (2) et les dipôles passifs (51 à 5n) sont des circuits électriques incluant l'un ou plusieurs des éléments passifs suivants: court-circuit, résistance, self-inductance, transformateur, condensateur. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les instants de fermeture des commutateurs électriques (41 à 4n) sont déterminés soit à partir d'un capteur, soit directement à partir de la différence de potentiel entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1). 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les circuits de commande des commutateurs électriques (41 à 4n) sont alimentés par une partie de l'énergie électrique fournie par l'insert piézoélectrique (1). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 5 que les sources de tension (61 à 6n) sont alimentés par une partie de l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique (1) ou bien par de l'énergie électrique fournie par d'autres inserts piézoélectriques. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tension (61 à 6,) sont délivrées par les secondaires de transformateurs, les primaires 10 respectifs desdits transformateurs étant alimentés par des tensions alternatives synchrones avec les vibrations mécaniques. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert piézoélectrique (1) est constitué d'un seul élément ou de plusieurs éléments distincts reliés électriquement en série, en parallèle ou par composition de ces deux types de 15 liaison.