Le travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de deux modulateurs optiques assistés par phonon-polaritons de surface fonctionnant en réflectivité, autour de 8.5 THz, à température ambiante. Nous avons dans un premier temps validé expérimentalement la description théorique du couplage du champ propagatif aux phonons polaritons de surface pour un réseau de GaAs grâce à des mesures de réflectivité THz résolues angulairement. Nous montrons l'importance de la géométrie de la structure pour une description quantitative du couplage. Nous avons réalisé un modulateur de réflectivité THz contrôlé optiquement. La structure est un réseau lamellaire de GaAs dopé , de période inférieure à la longueur d'onde supportant un mode composé de plasmon-phonon-polaritons de surface se propageant le long des murs du réseau. L'éclairement de la structure dans le visible modifie la fréquence de résonance THz de ce mode en créant des photo-porteurs dans les murs du réseau et permet ainsi un contrôle actif de la réflectivité.Enfin nous étudions et réalisons un modulateur de réflectivité THz contrôlé électriquement. Nous proposons une structure permettant d'exciter un mode de phonon-polaritons d'interface dans un puits quantique. Ce mode est très confiné dans le puits et présente une forte sur-intensité de champ. Cet effet original est lié à la permittivité du puits proche de zéro à la fréquence du mode d'interface. La perturbation engendrée par des transitions intersous-bandes dans le puits quantique unique permet, en appliquant une tension de l'ordre du volt, de contrôler l'intensité du couplage du champ propagatif au mode du puits, ce qui donne un contrôle actif de la réflectivité de la structure.

L'utilisation des moyens de transport et des machines au quotidien a fortement contribué à l'amplification des phénomènes générant de la nuisance sonore. L'élimination des bruits en basses fréquences est actuellement la cible de différentes recherches. Plusieurs stratégies ont émergé comme l'utilisation des résonateurs de Helmholtz, de membranes vibrantes mais surtout des systèmes hybrides actif-passif. L'originalité de ce projet de doctorat consiste en la proposition d'une solution technologique d'un résonateur de Helmholtz adaptatif à volume variable, permettant ainsi de s'affranchir du caractère mono-fréquentiel des résonateurs de Helmholtz passifs. Le réglage de volume s'effectue grâce à l'utilisation d'une membrane en polymère électroactif (EAP), permettant ainsi d'accorder les résonances du système. Le comportement mécanique de ces matériaux est modifié lorsqu'ils sont stimulés par un champ électrique. Des améliorations significatives en perte par transmission acoustique sont obtenues en basses fréquences par deux effets: la variation de raideur de la membrane et l'augmentation de volume due à la déformation de la membrane. Des études numériques, analytiques et expérimentales sont réalisées pour déterminer le potentiel des concepts proposés. Enfin, une structure périodique contenant 9 résonateurs adaptatifs à membranes électroactives est étudiée en champs diffus permettant d'évaluer les performances acoustiques du concept distribué.

Depuis des siècles nous utilisons des véhicules équipés des systèmes de suspension de vibrations. Ils permettent d'avoir un confort acceptable et ajoutent de la sécurité à la conduite. Les nouveaux systèmes installés dans les véhicules sont des systèmes actifs. Ils peuvent être adaptés selon les exigences en temps réel. Ces types de systèmes sont utilisés pour l'amortissement de vibrations et pour l’isolation vibro-acoustique. Dans la thèse nous présentons une nouvelle approche d'un système adaptatif pour les applications automobiles. Nous faisons l'hypothèse qu’un portage d'un système centralisé en système distribué peut améliorer son efficacité. Nous proposons un réseau de capteurs sans fil pour l’amortissement de vibrations dans les applications automobiles. Un capteur du réseau est capable de mesurer des vibrations, d’amortir des vibrations et de récupérer l’énergie depuis les vibrations en utilisant un seul élément piézoélectrique (la méthode Serial-SSHI). Ensuite nous validons le réseau de capteurs sur une structure mécanique de type plaque. Les mesures sont comparées avec des simulations d’éléments finis. Les résultats des mesures et des simulations confirment le choix des solutions. Le nœud du réseau fournit ses fonctionnalités destinées avec une efficacité acceptable. Nous validons la récupération d’énergie depuis les vibrations et la mesure des vibrations. Ensuite nous validons un effet local d’amortissement de vibrations et un effet global (le réseau de capteurs permet d’avoir une action d’amortissement complémentaire). / For centuries we have used vehicles equipped with the vibration suspension systems. These systems are used to provide comfort and safety. Nowadays we are implementing the active systems which can be adapted according to the real-time requirements. These types of systems are used to damp vibrations and to provide noise and vibration insulation. In the thesis we present a new approach of an adaptive system for automotive applications. We assume that a porting of a centralized system in a distributed system can improve its effectiveness. We offer a wireless sensor network for damping vibration in automotive applications. A network sensor is able to measure the vibrations, damp the vibrations and energy harvesting from vibrations by using a single piezoelectric element (Serial-SSHI method). We validate the network of nodes on a mechanical structure. The measurements are compared with finite element simulations. The results of measurements and simulations confirm the choice of solutions. The network node provides designed functionality with acceptable efficiency. We also validate the energy harvesting and the vibration measurements. The outcome of the work confirm a local effect of vibrations damping and a global effect (the designed Wireless Sensor Network provides a supplementary damping action).

Cette recherche a pour but de faire la modélisation par éléments finis d'un toit d'hélicoptère, de comparer les données calculées aux données expérimentales et de déterminer si l'on peut appliquer un contrôle optimal sur le système. Le projet fait partie d'un programme visant à réduire le bruit et les vibrations dans une cabine d'hélicoptère. Il est fait en collaboration avec Bell Helicopter Textron Canada Limited, le Consortium de Recherche et d'innovation en Aérospatiale au Québec (CRIAQ) et le Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke. La recherche commence par l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble toit-support de transmission d'un hélicoptère Bell 407. Les chemins de transfert primaires et secondaires ont été identifiés en plaçant des accéléromètres à 63 positions différentes sur le toit et en mesurant les vibrations à ces endroits. En second lieu, le modèle par éléments finis, réalisé avec FEMAP, est présenté ainsi que les paramètres de calculs. Pour valider les résultats, les spectres des chemins de transfert du modèle sont comparés aux chemins de transfert expérimentaux. Ensuite, les forces primaires équivalentes sont calculées. Elles sont appliquées sur le modèle afin de comparer le comportement du modèle à l'excitation primaire expérimentale mesurée sur le toit de l'appareil. Enfin, une simulation du contrôle actif optimal est effectuée sur les signaux expérimentaux et les données numériques. Différentes configurations de capteurs d'erreur ont été comparées. On souhaite connaître la configuration permettant de mieux contrôler les vibrations du toit. Par la suite, cette simulation vise à déterminer si le contrôle actif optimal est possible sur un toit d'hélicoptère se rapprochant de la production en fonction des différentes configurations.

Le bruit généré par les avions lors des phases de décollage et d'atterrissage est un sujet d'intérêt actuel dans l'industrie aéronautique. Il peut devenir critique avec l'urbanisation croissante des populations, celle-ci contribuant à l'augmentation du trafic aérien et le rapprochement des aéroports avec les zones habitées. Pour prévenir cette problématique, les centres de recherches et les industriels de l'aéronautique se regroupent pour développer des solutions technologiques communes. Dans le cadre général de ce projet sur la réduction du bruit global des avions civils, un système de réduction se base sur le principe du contrôle actif du bruit tonal d'interaction rotor/stator. Celui-ci est en effet, avec le bruit de jet, une des principales causes de nuisance sonore au décollage et à l'atterrissage. Pour cela, des sources d'anti-bruit sont placées à l'intérieur du conduit à proximité de l'interaction rotor/stator afin de l'annuler. L'objectif de ce projet de maîtrise est de modéliser une des sources d'anti-bruit utilisée dans le contrôle. Celle-ci est placée sur chaque aube composant la grille de stator. Elle est constituée d'une aube dans laquelle est inséré un actionneur piézoélectrique. Ce dernier est ensuite recouvert de plaques perforées permettant de garder une transparence acoustique et un profil aérodynamique, puis commandé électriquement. Le comportement vibratoire de l'aube instrumentée est simulé à l'aide du logiciel éléments finis COMSOL MULTIPHYSICS. Cela permet d'estimer le rayonnement acoustique de la source secondaire. Les paramètres du modèle sont ensuite ajustés par des mesures expérimentales puis les résultats obtenus validés expérimentalement. Cette caractérisation vibro-acoustique conduit au final à la modélisation de l'aube instrumentée par une source acoustique compacte, que l'on peut introduire dans un modèle analytique simplifié de turboréacteur afin de réaliser des simulations de contrôle.

Cette thèse concerne le développement d’outils de conception nécessaires à la réalisation de matériaux composites hybrides intégrant des patchs piézoélectriques shuntés électriquement par des circuits à capacité négative. L’impact des incertitudes sur les performances de ces systèmes hybrides innovants est à ce jour inconnu ou mal maîtrisé, ce qui peut compromettre leur fiabilité et nuire à leur applicabilité industrielle. La première contribution du travail de thèse a ainsi porté sur le développement et la caractérisation d’un circuit de shunt numérique adapté à un contrôle adaptatif pour une structure équipée d’un grand nombre de patchs. Les étapes de dimensionnement et de conception électronique du dispositif sont présentées et ont conduit à un prototype qui a montré expérimentalement sa capacité à générer un shunt de type capacité négative. La deuxième contribution du travail de thèse porte sur l’analyse de la robustesse de ces dispositifs en considérant le système dans sa globalité, depuis les paramètres géométriques (dimensions) ou matériaux jusqu’aux paramètres électriques. Une analyse des paramètres les plus influents est proposée et conduit à une mise en évidence des plages d’incertitudes tolérables pour une efficacité donnée. Enfin l’association des dispositifs considérés en un réseau distribué permet d’envisager une meilleure réduction des vibrations ou ondes acoustiques par un accroissement notamment de la largeur de bande fréquentielle dans laquelle le système est efficace. Le circuit numérique développé dans la thèse permet d’envisager cette extension au caractère distribué par sa miniaturisation, son adaptabilité et son intégrabilité. La dernière contribution du travail de thèse porte donc sur des perspectives d’extension du travail développé à un système distribué pour la génération d’une inter face active intégrée à la structure. / This thesis deals with the development of design tools needed for the realization of hybridcomposite materials incorporating piezoelectric patches electrically shunted by negativecapacitance circuits. The impact of uncertainty on the performance of these innovative hybridsystems is yet unknown or poorly controlled, which can compromise their reliability and harmtheir industrial applicability. The first thesis contribution has focused on the development andcharacterization of a digital shunt circuit adapted to an adaptive control for a structureequipped with a large number of patches. The design steps and electronic device design arepresented and led to a prototype that has shown experimentally its ability to implement anegative capacitance shunt. The second contribution of the thesis is the analysis of therobustness of these devices by considering the whole system, from geometric to materialsparameters, including the electrical parameters. An analysis of the most significantparameters is proposed and has highlighted the tolerable uncertainty ranges for a givenefficiency. Finally, the combination of the developed digital devices inside a distributednetwork provides a better reduction of acoustic waves or vibrations by increasing theefficiency bandwidth. The use of the developed digital circuit in such distributed systems hasbeen made possible by its miniaturization, adaptability and integrability. The last contributionof the thesis therefore focuses on prospects in fully integrated active interfaces.

Le contrôle actif a souvent été considéré pour la maîtrise du bruit basse fréquence rayonné par les panneaux d’habillage dans les cabines des avions et hélicoptères. Ces panneaux sont classiquement réalisés en matériaux sandwich nid d’abeille (nida), du fait de leur très bon rapport résistance/masse. La mise en œuvre des techniques de contrôle actif sur des panneaux de type nida n’a pas toujours donné des résultats à la hauteur des attentes. Le travail présenté dans cette thèse introduit un modèle coque/volume/coque (SVS) de panneau nida équipé de pastilles piézoélectriques, valide ce modèle expérimentalement et propose une analyse des limitations de performance du contrôle actif. Pour la modélisation des panneaux nida, la principale difficulté est d’estimer les propriétés effectives d’un matériau homogène équivalent au cœur. On introduit une procédure d’homogénéisation numérique à partir d’un modèle 3D très détaillé de la structure du nida. Cette procédure est basée sur la corrélation des modes périodiques du modèle 3D et du modèle SVS. L’utilisation de modes périodiques permet l’analyse détaillée de l’influence des constituants dans le comportement vibratoire du nida, en particulier de la couche de colle et des peaux du sandwich. Des essais vibratoires mettent en évidence les effets viscoélastiques présents pour les nida à base de papier Nomex. Ces effets sont pris en compte dans le modèle SVS en utilisant des paramètres élastiques dépendant de la fréquence. On intègre ensuite des actionneurs et capteurs piézoélectriques au modèle de panneau nida validé. Différentes stratégies pour l’intégration du modèle proposé dans un processus de conception sont discutées. On montre enfin que la réponse statique à une tension électrique correspond à une cloque, flexion très localisée des peaux plutôt que flexion globale du panneau. Il en résulte une mauvaise performance des actionneurs. Cet effet local est retrouvé sur un modèle de panneau d’habillage réaliste étudié à l’ONERA. / Active control has often been considered for low frequency control of noise radiated by trim panels inside aircraft or helicopter cabins. Trim panels are usually made of honeycomb core sandwich because of their high strength to mass ratio. Active control techniques applied to honeycomb panel have not always given results as good as expected and this thesis aims to understand these limitations based on validated mechanical models of the active panels. For the modeling of honeycomb panels, the main difficulty is to estimate equivalent properties for the core. A numerical homogenization procedure is introduced to estimate effective parameters of a shell/volume/shell model based on the correlation with periodic modes of a detailed 3D model. The use of periodic modes allows a detailed analysis of the influence of constituent properties, especially glue and skin. Tests show that the considered Nomex based honeycomb has significantly viscoelastic behavior. In the model, the viscoelastic behavior of the core is taken into account by a frequency dependence of material parameters. Piezoelectric actuators and sensors are included in the validated honeycomb model. Strategies for integration in a numerical design process are discussed. Finally, the static response to an applied voltage is shown to correspond to a blister shape with local bending of the skin rather than global bending of the panel. This behavior results in poor actuator performance, which is also found in a realistic panel configuration studied at ONERA.

Les structures intelligentes sont de plus en plus présentes dans différentes industries et notamment dans les domaines de l'aéronautique et du génie civil. Ces structures sont dotées de fonctions qui leur permettent d'interagir avec leur environnement, d'adapter leurs caractéristiques structurelles (raideur, amortissement, viscosité, etc.) selon les besoins ou de surveiller leur état de santé ou « SHM » (Structural Health Monitoring). Aujourd’hui, les performances des méthodes de contrôle actif peuvent être considérablement dégradées lors de l’apparition d’endommagement. Le contrôle actif tolérant aux dommages ou « DTAC » (Damage Tolerant Active Control) est un champ de recherche récent qui s'intéresse à l'élaboration d'approches intégrées pour réduire les vibrations tout en surveillant l'intégrité de la structure, en identifiant les éventuels dommages, et en reconfigurant la loi de commande.Cette thèse apporte une contribution au DTAC en proposant une approche originale basée sur la norme H∞ modale . Les méthodes proposées se focalisent principalement sur le cas où plusieurs actionneurs et capteurs piézoélectriques non-collocalisés sont utilisés pour atténuer les vibrations des structures endommagées. Le manuscrit comprend quatre parties principales. Le chapitre 2 présente des rappels sur la commande H∞ et sur sa solution sous optimale obtenue par une approche par inégalité matricielle ou « LMI » (Linear Matrix Inequality), sur lesquels s’appuient les développements proposés dans ce travail. Le chapitre 3 décrit la norme H∞ modale introduite pour le contrôle actif des vibrations. Cette commande présente une sélectivité modale élevée, permettant ainsi de se concentrer sur les effets du dommage tout en bénéficiant des propriétés de robustesse qu'offre la commande H∞ vis-à-vis du spillover et des variations de paramètres. Une nouvelle stratégie de rejet des vibrations est proposée au chapitre 4. C'est une approche dite préventive où une prise en compte lors de l'élaboration de la commande H∞ modale, des zones fortement contraintes de la structure, où le risque d’endommagement est élevé est réalisée. Un algorithme SHM est proposé afin d'évaluer la sévérité du dommage pour chaque mode. Le chapitre 5 propose une nouvelle approche modale à double boucle de commande pour faire face à des endommagements imprévisibles. Un premier correcteur est conçu dans ce but pour satisfaire les contraintes de performance et de robustesse sur la structure saine, tandis que le second a pour objectif de conserver un contrôle satisfaisant quand un dommage survient. La loi de commande s'appuie sur un observateur d’état et d'un algorithme SHM pour reconfigurer en ligne le correcteur. Toutes les approches DTAC proposées sont testées en utilisant des simulations (analytiques et éléments finis) et/ou des expérimentations sur des structures intelligentes. / Smart structures have increasingly become present in different industry applications and particularly in the fields of aeronautics and civil engineering. These structures have features that allow interactions with the environment, adapting their characteristics according to the needs (stiffness, damping, viscosity, etc.), monitoring their health or controlling their vibrations. Today smart structure active control methods do not respond appropriately to damage, despite the capacity of external disturbances good rejection. Damage-tolerant active control (DTAC) is a recent research area that aims to develop integrated approaches to reduce the vibrations while monitoring the integrity of the structure, identifying damage occurrence and reconfiguring the control law of the adopted active vibration control method.This thesis contributes to DTAC area, proposing a novel modal control framework and some applying strategies. Developed methods focus in non-collocated flexible structures, where multiples piezoelectric sensors and actuators are used to attenuate damaged structure vibration. The chapters present four main topics and the conclusions. Chapter 2 reviews the regular suboptimal H∞ problem and its respective solution based on the linear matrix inequality (LMI) approach, which is a fundamental tool for the development of subsequent topics. Chapter 3 introduces the modal H∞-norm based method for vibration control, which reveals high modal selectivity, allowing control energy concentration on damage effects and presenting robustness to spillover and parameter variation. A new control strategy is developed in Chapter 4, taking into account existing knowledge about the structure stressed regions with high probability of damage occurrence, leading to specific requirements in the modal H∞ controller design. A structural health monitoring (SHM) technique assesses each damaged mode behavior, which is used to design a preventive controller. Chapter 5 presents a novel modal double-loop control methodology to deal with the unpredictability of damage, nevertheless ensuring a good compromise between robustness and performance to both healthy and damaged structures. For this purpose, the first loop modal controller is designed to comply with regular requirements for the healthy structure behavior, and the second loop controller is reconfigured aiming to ensure satisfactory performance and robustness when and if damage occurs, based on a state-tracking observer and an SHM technique to adapt the controller online. In all these chapters, simulated (analytical and finite elements based) and/or experimental aluminum structures are used to examine the proposed methodology under the respective control strategies. The last chapter subsumes the achieved results for each different approach described in the previous chapters.

Cette thèse s'inscrit dans la continuation du travail de Younes Achkire, consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Elle traite de l'implémentation d'un système de contrôle actif sur des maquettes de structures câblées. Deux types de structures sont étudiés expérimentalement: les ponts haubanés et les treillis spatiaux. Après une brève introduction sur l'usage du contrôle actif dans ces domaines, le chapitre 2 traite numériquement des mécanismes d'interaction entre le câble et la structure. Au chapitre 3, nous présentons la stratégie de contrôle que nous utilisons pour stabiliser une structure câblée: il s'agit d'un contrôle décentralisé, basé sur des paires capteur/actionneur colocalisées, placées au niveau des ancrages des câbles, chacune équipée d'un contrôleur Intégral Force Feedback. Nous présentons une théorie linéaire simplifiée permettant de dimensionner le système et de prévoir son efficacité. Elle est illustrée sur un exemple, et nous discutons de la validité de certaines hypothèses simplificatrices. Le chapitre 4 est consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Nous y présentons 2 maquettes. La première, de petite taille (3m) représente un pylône de pont haubané en construction. Elle est équipée d'actionneurs piézoélectriques. La seconde, installée au Centre Commun de Recherche d'Ispra (Italie), mesure 30m de long, et est équipée d'actionneurs hydrauliques. Les expériences réalisées sur ces maquettes ont démontré l'efficacité du contrôle et la fiabilité de la théorie prédictive. Le contrôle du flottement des ponts est traité sur un exemple numérique. Le chapitre 5 relate nos expériences d'amortissement actif des treillis spatiaux. Deux structures ont été étudiées: une colonne en treillis équipée de 3 câbles actifs, et une structure triédrique suspendue à des cordons élastiques pour simuler l'absence de gravité, également munie de câbles actifs. Deux concepts d'actionneur piézoélectrique ont été testés. Nous avons ensuite examiné le problème de la saturation des actionneurs, et celui du contrôle actif des microvibrations (~10nm) d'une structure câblée. Le chapitre 6 conclut ce travail, en souligne les aspects originaux et donne quelques perspectives de développement.

Les systèmes SHM (Structural Health Monitoring) basés sur la propagation d’ondes ultrasonores guidées sont utilisés pour des structures de grandes dimensions, par exemple dans les secteurs de l’aéronautique ou du génie civil. Les ondes de Lamb ou SH sont généralement employées car elles se propagent sur de longues distances dans des structures planes tout en sondant l’épaisseur des pièces. Cependant, des modes moins conventionnels se propagent dans les guides d’ondes de section droite finie, tels que les barreaux, les rails ou les tuyaux. Le nombre de modes peut être très élevé dans ce type de guide, et il est important de bien sélectionner un mode particulier.Les méthodes actuelles de sélectivité modale, basées sur l’emploi de plusieurs émetteurs,considèrent habituellement des éléments PZT identiques (même sensibilité, même réponse en fréquence...) et ne prennent pas en compte les conditions réelles de montage et leurs éventuelles imperfections (couplage variable entre traducteurs, mauvais alignement, différence de réponse de l’électronique...). Ce travail présente une méthodologie générale pour la sélectivité modale dans des guides à section droite finie, à l’aide de plusieurs éléments piézoélectriques disposés à leur surface. Cette sélectivité est basée sur la mesure expérimentale préalable, à l’aide d’un vibromètre laser 3D, des amplitudes des modes générés par chaque élément excité individuellement.Une procédure d’optimisation permet d’inverser le problème afin de maximiser l’amplitude du mode désiré, alors obtenue en excitant simultanément tous les émetteurs. Le problème à inverser requiert la connaissance des courbes de dispersion ainsi que des déformées modales des modes,obtenues en utilisant la méthode SAFE 2D. La méthodologie est testée à travers des simulations numériques et des mesures expérimentales sur un barreau d’aluminium de section rectangulaire instrumenté avec huit éléments PZT à sa surface. L’efficacité de la méthode pour générer différents modes purs, mais aussi pour détecter et localiser des défauts calibrés, est démontrée sur le barreau d’aluminium. Son fort potentiel pour des applications de SHM de structures plus complexes est étudié, tels qu’un rail ou un assemblage collé de matériaux composites. / SHM systems (Structural Health Monitoring) based on ultrasonic guided waves propagation are used for large structures, e.g. in Aerospace or Civil Engineering. Lamb or SH waves are usually employed as they propagate over long distances in plate-like structures while probing the entire thickness. However less conventional modes propagate in wave guides with finite crosssection,such as bars, rails or pipes. The number of modes can be very high even at low frequencyin this type of guide, and it is important to carefully select a specific mode. Current methods for modal selectivity, based on the use of several emitters, usually consider identical PZT elements(same sensitivity, same frequency response, etc.) and do not account for real experimental conditions and possible differences (variable coupling between transducers, flawed alignment,variable electronic response, etc.). This work presents a global methodology for modal selectivity in waveguides with finite cross-section, using several piezoelectric elements attached to their surface. This selectivity is based on experimental measurements, with a 3D laser vibrometer,of the amplitudes of the modes generated by each emitter. An optimization process allows to inverse the problem in order to maximize the amplitude of the desired mode, then generated by exciting all the emitters at once. This process requires knowing dispersion curves as well as the displacements of the various modes, calculated with SAFE 2D method. The methodology is tested through numerical simulations and experiments on an aluminium rectangular bar instrumented with 8 PZT elements on top. The method efficiency to generate different pure modes,and to detect and locate calibrated defects, is demonstrated for the aluminium bar. Its potential for SHM application of more complex structures is studied, like a rail or an adhesively bonded composite structure.