De nombreuses recherches sont actuellement menées afin de réduire les émissions polluantesdes aéronefs. Le contrôle actif des écoulements aérodynamiques est une piste envisagéepour répondre à ces enjeux. Parmi les technologies de contrôle en développement, lestechnologies plasma offrent plusieurs avantages, dont la compacité, la simplicité de mise enoeuvre et la réactivité. Ce travail de thèse a été consacré à l’étude d’un actionneur plasmade type jet synthétique. Il se présente sous la forme d’une petite cavité insérée en paroiet reliée à l’extérieur par une tuyère. Un arc électrique est généré dans la cavité, ce quientraîne une augmentation de la pression de l’air dans celle-ci. Par conséquent, un jet estproduit à la sortie de la tuyère, et celui-ci peut interagir avec l’écoulement extérieur. A lasuite de cette phase d’éjection, de l’air extérieur est naturellement aspiré par la cavité, cequi permet au processus d’être répété à des fréquences pouvant atteindre plusieurs kilohertz.L’objectif de ce travail de thèse est de construire un modèle numérique capable dereproduire ces phénomènes physiques. Pour cela, un calcul aérodynamique de type LargeEddy Simulation est mis en oeuvre. L’action du plasma d’arc est prise en compte au traversde termes sources dans l’équation de l’énergie. Ces derniers sont notamment calculés grâceà l’hypothèse d’équilibre thermodynamique local dans le plasma. De plus, l’augmentationde la température dans la partie solide de l’actionneur est simulée lorsque celui-ci est opéréà haute-fréquence. Les résultats du modèle numérique sont comparés à des mesures de vitesseeffectuées lorsque l’actionneur fonctionne dans un environnement extérieur au reposet lorsque celui-ci interagit avec une couche limite. / Nowadays, many studies are conducted in order to decrease greenhouse gases and noiseemissions from aircrafts. Active aerodynamic flow control is a way considered to meet thesechallenges. Among developed technologies of control, plasma actuators offer several advantages,including compactness, easy implementation and fast response. This thesis is devotedto the study of a plasma synthetic jet actuator which comes in the form of a small cavityinserted in wall and connected to the environment through a nozzle. An electrical arc isgenerated in the cavity, resulting in an increase of the cavity air pressure. Consequently,a jet is produced at the nozzle exhaust that can interact with the external flow. After thisejection phase, an aspiration phase naturally occurs, allowing the process to be repeatedat a frequency that can reach several kilohertz. This thesis aims at building a numericalmodel able to reproduce these physical phenomena. To do so, a Large Eddy Simulationis performed. The action of the plasma arc is taken into account through source terms inthe energy equation. In particular, these source terms are calculated using the assumptionof local thermodynamic equilibrium in the plasma. In addition, the heating of the actuatormaterials is simulated when it is operated at high frequency. The results from the numericalmodel are compared with velocity measurements, carried out when the actuator works ina quiescent environment and when it interacts with a boundary layer.

Ce mémoire présente un ensemble de travaux de recherche destinés à élargir le domaine d'application du contrôle acoustique actif et à en améliorer les performances. Il vise à expliquer le nombre toujours petit des applications du contrôle actif par les contraintes physiques, telles que la contrainte de causalité des algorithmes en temps réel ou le raccourcissement de la longueur d'onde avec la fréquence, qui s'appliquent aux dispositifs de contrôle ; compte tenu de ces différentes contraintes il présente des outils d'optimisation pour concevoir des systèmes plus performants. Sont ainsi décrits des travaux de recherche orientés successivement vers un contrôle actif sur une zone de l'espace plus étendue, vers le contrôle de sons plus complexes, vers la résolution de problèmes de contrôle mieux posés puis vers le contrôle de grandeurs acoustiques non directement accessibles à la mesure. Au delà de cet exposé de travaux de recherche conduits en équipe au sein du Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique du CNRS à Marseille, ce mémoire espère montrer que le contrôle actif n'est pas une simple mise en oeuvre technologique, un peu limitée et passée de mode, de théories connues de l'acoustique et de l'automatique mais bien un réel et actuel sujet de recherche en acoustique.

L'actionneur « plasma » consiste en une décharge électrique établie dans l'air à pression atmosphérique à la surface d'un isolant. L'apport de quantité de mouvement induit par ces plasmas froids de surface, dû à la migration des ions soumis à la force de Coulomb et appelé "vent ionique", est utilisé ici pour modifier l'état collé ou décollé d'un écoulement. <br />Le travail réalisé est divisé en deux parties. <br />L'objectif de la première partie est de développer l'actionneur afin d'obtenir une décharge stable et homogène à travers deux exemples : la décharge couronne et la décharge à barrière diélectrique (DBD). La décharge couronne est obtenue en appliquant une haute tension, AC ou DC, entre deux fils placés à l'intérieur de rainures dans l'isolant. Le champ électrique moyen est de 8 kV/cm, pour un courant moyen de 1,5 mA/m pour une puissance électrique moyenne de 75 W/cm2. La DBD est obtenue en appliquant une haute tension alternative (plusieurs kV avec une fréquence allant de 100 à quelque kHz) entre deux électrodes placées de part et d'autre de l'isolant. Les mesures de vent ionique ont montré pour ces deux décharges une vitesse de 3 m/s environ à 1 mm au-dessus de la paroi.<br />Dans une seconde partie nous avons testé les performances de l'actionneur pour le contrôle d'écoulements. Des essais préliminaires à faible vitesse (< 2 m/s) ont montré la possibilité de recoller un écoulement et de contrôler les structures crées en aval à l'aide d'une décharge pulsée. A plus haute vitesse (´ 30 m/s), nous avons contrôlé l'état collé ou décollé d'un écoulement dans le cas d'une couche de mélange plane et d'un jet à section rectangulaire. Nous avons alors observés des modifications sur les propriétés du développement aval de l'écoulement, comme par exemple l'épaisseur de couche de mélange ou de vectorisation du jet. Par ailleurs, ces derniers travaux semblent indiquer que l'actionneur est plus efficace pour le décollement que le recollement et lorsque l'actionneur utilisé est la DBD.

Les machines tournantes sont présentes dans bien de domaines de nos industries et de nos sociétés et jouent un rôle primordial dans le transport et l'énergie. Le contexte actuel d'épuisement de ressources fossiles et la demande continuellement en augmentation d'énergie, font du domaine de la production de l'énergie (qu'elle soit électrique, thermique, éolienne, hydraulique ou nucléaire) un secteur qui concentre une part importante de l'innovation et de l'investissement des institutions et des industriels. Les tendances actuelles concernent l'augmentation du rendement et de la fiabilité, la diminution des dimensions, des coûts d'exploitation et des impacts environnementaux. Les machines doivent donc opérer dans des conditions respectant les normes de sécurité, de sûreté, de confort et d'environnement. La maîtrise et l'optimisation de ces conditions ont constitué le fil conducteur des recherches menées. L'ensemble de cette recherche concerne le suivi du comportement, l'équilibrage et le contrôle actif des machines tournantes. Trois thèmes qui ont un point commun la définition et l'identification d'un modèle de la machine ensuite, connaissant les réponses identifier les perturbations et les forces extérieures. Ces recherches constituent la base vers le développement de machines avec une capacité de réagir, sans interventions extérieures, en présence d'une défaillance ou lors de passage des zones de vitesses critiques ou des zones d'instabilités, de modifier ses caractéristiques afin d'avoir toujours un comportement respectant les normes de sécurité, de sûreté, de confort et d'environnement. La base vers un développement d'une Eco machine tournante réactive: une Smart machine tournante. Les premières recherches traitent du suivi de comportement et du diagnostic des boites de transmission de puissance par engrenages. L'objectif est la mise en place d'une approche de maintenance préventive de machines tournantes en présence de défauts combinés d'engrenages et de roulements. L'approche scientifique est à la fois numérique et expérimentale. Dans les deux approches, les défauts critiques étudiés ont été choisis suite à une étude AMDEC (Analyse de Modes de Défaillance, de leurs Effets et leurs Criticités). Les approches pour réduire les nuisances et d'assurer la sécurité de fonctionnement se déclinent, selon les possibilités et les moyens d'intervention, en deux solutions; équilibrage et contrôle actif. En équilibrage les recherches permettront d'une part le développement de méthodes basées sur des modèles identifiés expérimentalement prenant en compte des non linéarités dues à la très grande flexibilité des structures étudiées ou à la dépendance de certaines caractéristiques aux fréquences; elles permettront d'autre part l'optimisation de la répartition des masses de correction à la fois en position et en valeur en considérant des perturbations stochastiques des mesures. Le thème contrôle actif des machines tournantes porte sur le développement et la mise en place de stratégies de contrôle permettant la modification du comportement dynamique des rotors en flexion, en régime transitoire, par l'utilisation d'actionneurs. Le contrôleur peut être dans le domaine physique ou modal avec une commande floue ou neuro-floue. Concernant la technologie d'actionneurs, des travaux ont déjà été réalisés en utilisant des actionneurs piézoélectriques. Le contrôle est efficace et robuste, le seul inconvénient concerne la liaison entre l'actionneur et la machine. Nos recherches actuelles portent sur la conception et le dimensionnement d'actionneurs électromagnétiques qui présentent l'avantage d'être sans contact et offrent la possibilité de contrôler à la fois l'arbre du rotor et un de ces composants (paliers hydrodynamiques). Les activités et thèmes de recherches sont présentés en trois chapitres sans prendre en compte l'aspect chronologique. Chaque chapitre présente la recherche déjà réalisée, celle en cours puis future. Un chapitre est consacré au projet de recherche concernant les études initiées dans un souci d'appliquer et d'adapter les acquis dans des contextes particuliers de complexité des nouvelles machines ou tout simplement la volonté de considérer les besoins environnementaux et le développement d'Eco- Machines Tournantes.

Ce travail de recherche s'inscrit dans la continuité des travaux déjà effectués dans l'équipe thermoacoustique du Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM, UMR CNRS 6613) depuis 1995, et vise à apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques qui sont mis en jeu dans les machines thermoacoustiques. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties, concernant toutes deux des systèmes basés sur des résonateurs acoustiques à géométrie annulaire. La première partie de ce travail concerne l'étude des écoulements redressés (aussi appelés « vent acoustique ») prenant place dans les résonateurs annulaires à ondes progressives lors de la génération d'une onde acoustique de fort niveau. Ce phénomène non linéaire, connu depuis plusieurs décennies, a fait l'objet de nombreux travaux théoriques. Cependant, la grande majorité des travaux effectués sur ce sujet concerne des systèmes acoustiques à ondes stationnaires, et très peu d'équipes de recherche ont réussi à mettre en œuvre une instrumentation permettant d'accéder à la mesure fine des écoulements redressés. L'originalité des travaux menés dans le cadre de ce travail est notamment liée au dispositif acoustique développé, à savoir un résonateur annulaire dans lequel un champ acoustique peut être entretenu au moyen de deux haut-parleurs judicieusement placés le long du guide d'onde et contrôlés en phase et en amplitude afin de donner lieu à une onde acoustique de nature progressive. Un modèle analytique du champ acoustique et de l'écoulement redressé prenant place dans ce type de système est tout d'abord présenté. Une chaîne de mesure par Vélocimétrie Laser Doppler est ensuite mise au point et validée. Cette chaîne de mesure permet d'accéder simultanément à la vitesse particulaire acoustique et à la vitesse au vent acoustique dans le dispositif mentionné ci-dessus. Les résultats de mesure obtenus montrent que la courbure du résonateur a une influence sur le profil de vitesse de l'écoulement redressé sur une section du résonateur. Il est également vérifié que la vitesse moyenne sur une section du guide d'onde est proportionnelle au carré de la pression acoustique, et que les vitesses mesurées sont de plus proches de celles prévues par le modèle. La seconde partie de ce travail porte sur l'étude d'un système basé sur l'architecture d'un moteur thermoacoustique annulaire dans lequel la présence de deux haut-parleurs contrôlés en amplitude et en phase permet de modifier la structure spatiale du champ acoustique. Ces travaux préliminaires ont pour objet d'étudier la possibilité de contrôler en temps réel la distribution spatiale du champ acoustique, et par voie de conséquence l'amplification thermoacoustique prenant lieu dans le noyau thermoacoustique. Les résultats de mesure de la distribution spatiale du champ acoustique dans le guide d'onde permettent de déterminer la puissance acoustique globale disponible et par suite, le rendement de la machine. Ces mesures sont réalisées lorsque le système de contrôle actif est en fonctionnement ou non. Les résultats de cette étude préliminaire montrent que le système de contrôle actif de l'amplification thermoacoustique mis en place peut permettre, sous certaines conditions, d'augmenter significativement le rendement du générateur d'ondes.

Grâce à la découverte, il y a dix ans, de nouveaux matériaux magnétostrictifs, un no\... ''3au type d'actionneurs est maintenant réalisable. Les actionneurs à magnétostriction géante sont caractérisés par une force développée importante, un faible déplacement, un faible poids et volume ainsi qu'un fonctionnement jusqu'à quelques kilohertz. Ce travail de thèse a été effectué dans le cadre d'un contrat européen Brite Euram nommé MADAVIC. Il a conduit à la réalisation de plusieurs actionneurs à magnétostriction géante. Pour cela des outils logiciels de modélisation éléments finis développés au laboratoire ont été utilisés. Ils ont permis de comparer les différentes solutions s'opposant dans la conception de ces prototypes afin de les dimensionner de façon optimale et conformément au cahier des charges, Réalisés par l'entreprise METRAVIB-RDS, les prototypes ont été testés en terme de force et de déplacement dynamique afin d'évaluer leurs performances et de mieux comprendre le comportement des barreaux à magnétostriction géante représentant le coeur du système. Ce comportement non-linéaire décourage certain quant à l'utilisation de ce type d'actionneur. Nous avons donc réalisé une expérience de contrôle actif des vibrations utilisant un actionneur à magnétostriction géante. Les résultats obtenus ont permis de montrer l'intérêt d'utiliser ce type d'actionneur pour des applications industrielles.

A l’interface de l’automatique, de la mécanique et de l’acoustique musicale, le contrôle des instruments de musique s’emploie à développer des méthodes permettant de contrôler, en temps réel, leur son acoustique. Les contrôleurs utilisés dans ce domaine s’appuient sur des modèles linéaires ne prenant pas en compte les non-linéarités présentes dans le comportement de certains instruments. Les gongs d’opéra chinois présentent ainsi plusieurs phénomènes induits par des non-linéarités géométriques, dont un très caractéristique glissement fréquentiel qui impacte plusieurs de leurs modes de vibration. Le présent travail propose d’initier la mise en place d’un contrôle de ces instruments par le biais de trois étapes consécutives. Dans un premier temps, les performances et limites du contrôle modal moderne vis-à-vis des phénomènes non linéaires présents dans le comportement de l’instrument (distorsion harmonique, glissement fréquentiel, résonances internes) sont étudiées et quantifiées. Les limitations mises en évidence précédemment motivent, dans un second temps, le développement d’un modèle d’ordre réduit décrivant le mode fondamental de l’instrument. Ce mode fondamental est caractérisé et identifié expérimentalement par une méthode récente utilisant une boucle à verrouillage de phase. Enfin, les limites de l’approximation uni-modale pour la description du mode fondamental de l’instrument en situation de jeu sont étudiées. L’interaction entre les résonances internes et le phénomène de glissement fréquentiel est démontrée en régime libre, ouvrant la voie vers le développement d’un modèle réduit pour décrire le comportement du mode fondamental du gong. / At a crossroads between automatics, mechanics and musical acoustics, active control of musical instruments aims at finding methods which would allow to control their acoustic sound in real time. Previous instrumental control studies never acknowledged nonlinear behaviours in musical instruments. However, Chinese opera gongs show various phenomena due to geometrical nonlinearities, among which a specific pitch glide, impacting several of its vibration modes. We propose to address the control of these instruments by reaching three consecutive steps. First, the performances and the limits of modern modal control regarding nonlinear phenomena in the behavior of the gong (harmonic distortion, internal resonances, pitch glide) are highlighted and quantified. The limitations of modal control suggests the development of a reduced order model describing the fundamental mode of the instrument. The nonlinear mode associated with the fundamental mode is characterized and identified experimentally by a method resorting to a Phase Locked Loop (PLL). Finally, the limits of the unimodal approximation describing the fundamental mode in playing condition are highlighted. The interaction between internal resonances and pitch glide phenomena is demonstrated experimentally in free vibration, allowing for the developing of a reduced order model to describe the fundamental mode of the instrument.

Les panneaux passifs, en particulier les doubles-cloisons, permettent d’obtenir de bonnes performances en isolation acoustique pour éliminer les bruits indésirables en moyennes et hautes fréquences. Ils ont été largement utilisés dans les domaines du bâtiment ou encore de l’industrie du transport. Un panneau hybride actif/passif est ici étudié, afin d’obtenir de bonnes performances en absorption et en isolation sur une gamme incluant des basses fréquences. La source secondaire est réalisée par une plaque active composée de deux céramiques piézo-électriques collées sur une plaque en acier. Le coeur du double panneau peut inclure un matériau poreux pour améliorer les performances de l’ensemble. Les résultats numériques et les données de mesure montrent que ces panneaux présentent sur une large bande de fréquences de bonnes performances avec contrôle actif. / Passive structures such as double walls are effective at reducing noise transmission at medium and high frequencies. They are widely used in building and transport applications. In this thesis, a hybrid passive/active acoustic panel concept is developped, with the aim of allowing high levels of absorption and insulation over a wide range of frecuencies. The secondary source is realized by an active plate consiting of two piezoelectric patches bonded to an elastic thin plate. The use of porous material as the core of the double-panel improves the acoustic efficiency of the structure. Numerical and experimental results show that this structure presents good absorption and transmission properties thanks to active control.

Les systèmes de sécurité active du véhicule de distribution sont utilisés pour réduire la survenue de situations accidentogènes ou aider le conducteur dans de telles situations pour éviter l'accident. Dans cette étude, nous nous intéressons à la prévention des accidents liés à la perte de contrôle du véhicule par le conducteur. Une partie de ces accidents peut être prévenue par l'utilisation de systèmes de sécurité active de type ESP, qui résout les problèmes d'instabilité du véhicule de type "porteur" en lacet et en roulis. Nous étudions la possibilité d'améliorer les performances de tels systèmes en combinant les actions de freins aux actions d'autres actionneurs disponibles sur le véhicule de distribution, tels que les directions actives avant et arrière. Le véhicule de distribution considéré dans notre cas est sur-actionné car le nombre d'actionneur dépasse le nombre de degrés de liberté contrôlés par ces actionneurs. Nous appliquons deux types de commande adaptés au contrôle des systèmes sur-actionnés: le premier est basé sur la structure hiérarchisée (connu sous le nom de structure avec "allocation de contrôle") et le deuxième est basé sur la structure non-hiérarchisée par "commande prédictive à base de modèle". Dans ce travail, nous adaptons ces deux approches à la problématique du contrôle du véhicule poids lourd de type "porteur". Le développement de la commande passe par la modélisation de la dynamique du véhicule, la validation des modèles et l'analyse de sa stabilité. Les résultats de simulation de prestations ISO, reproduisant des situations réelles et déstabilisantes pour le véhicule, sur le modèle représentatif du comportement réel du véhicule poids lourd démontrent l'efficacité de la commande développée et permettent d'évaluer le gain d'utilisation des actions combinées des actionneurs du véhicule par rapport au schéma classique. Ils permettent en outre de porter un jugement sur les deux types de commandes mises en œuvre. / The active safety systems for the delivery heavy vehicle are used to reduce the hazardous situations and assist the driver in such situations to avoid accidents. This study is focused on the prevention of accidents associated with the loss of control by the driver. Some of these accidents can be prevented by the use of active safety systems such as ESP, which solves the problems of the roll and yaw instability of the single unit heavy vehicles. We study the possibility of improving the performances of such systems by combining the braking actions to actions of other actuators available on the vehicle, such as active front and rear steering systems. The heavy vehicle considered in this study is over-actuated, since the number of actuators exceeds the number of degrees of freedom controlled by these actuators. We apply two control strategies to the over-actuated vehicle control: the first one is the hierarchical control also known as control structure with control allocation, the second one is the model predictive control. In this work, we adapt these two approaches to the single unit heavy vehicle control. The control development passes through vehicle dynamics modeling, models validation and stability analysis. Simulation results of the ISO features, representing real hazardous situations, performed on the high-fidelity model, demonstrate the effectiveness of the developed control and allow evaluating the gain of using the combined actions of actuators in comparison with the classical scheme. The obtained results also allow to judge on two implemented control strategies.

Le contrôle de la propagation des ondes acoustiques connait ces dernières années des applications potentielles notamment en réalisation de filtres électriques, mais aussi dans le contrôle de la vibration des structures mécaniques et l’isolation sonore. Le principe général de ce contrôle est d’attribuer aux ondes acoustiques des propriétés de propagation pouvant être modulées par une action extérieure. Dans ce contexte, l’étude menée au cours de cette thèse porte sur la possibilité de contrôler la propagation des ondes acoustiques en utilisant des matériaux piézoélectriques . Ces matériaux présentent des propriétés élastiques qui sont couplées aux grandeurs électriques à l’issu de leur processus de fabrication. La vibration d’une couche piézoélectrique est affectée par les conditions aux limites électriques imposées au niveau de ses électrodes. Un moyen simple d’imposer des conditions aux limites électriques à ce type de matériau est de connecter une impédance de charge (capacité positive, capacité négative, inductance) à ses électrodes. Les fréquences de résonnances caractéristiques de la couche piézoélectrique sont alors affectées selon la nature de cette charge. Une capacité positive permet de diminuer la fréquence de résonnance parallèle d’une couche piézoélectrique pour atteindre sa fréquence de résonnance série. En revanche, une capacité négative donne la possibilité d’augmenter la fréquence de résonnance parallèle de la couche piézoélectrique loin de la fréquence fondamentale de son mode en épaisseur. Le ca particulier d’un charge inductive offre une large possibilité de contrôler la propagation des ondes acoustiques à travers le cp piézoélectrique. Il permet d’ouvrir un gap d’hybridation dans une structure piézoélectrique unidimensionnelle, de contrôler sa position en fréquence pour provoquer l’ouverture d’une bande passante au sein du gap de Bragg, d’atténuer les ondes acoustiques dans une bande passante notamment en basses fréquences. / The ability to control the propagation of acoustic waves knows in recent years potential applications especially on the manufacture of electrical filter, but also in controlling the mechanical vibration of structures and sound insulation. To achieve this control, the properties of propagations can be changed by external load. The aim of this work is to achieve the control of acoustic waves in phononic crystal using piezoelectric materials. These materials have elastic properties coupled to the electrical properties resulting from their manufacturing process. The vibration of a piezoelectric layer is affected by the electrical boundary conditions imposed on its electrodes. A simple way to consider an electrical boundary condition on piezoelectrical material is to connect an external impedance load (positive capacitance, negative capacitance, inductance) to its electrodes. The resonance frequencies of the piezoelectric layer are then affected differently according the nature of external electric load. The positive capacitance allows to reduce the parallel resonance frequency. A negative capacitance makes it possible to increase the parallel resonance frequency of the piezoelectric layer, giving the ability to use the piezoelectric material away from away from its fundamental resonance frequency. The particular case of an inductive load has a wide possibility to control the propagation of acoustic waves through a piezoelectric pc. We demonstrate that the use of this inductive load opens a hybridization gap in a one-dimensional piezoelectric structure and enable to control the frequency position of this gap. As a result, the hybridization gap causes the opening of a bandwidth within the gap Bragg. The hybridization gap can also cause a high attenuation of acoustic waves in a pass band especially at low frequencies.