La décroissance de la consommation électrique des dispositifs électroniques leur a permis une croissance sans précédent. Néanmoins, les éléments de stockage d'énergie (piles et batteries), bien qu'ayant initialement promus ce développement, sont devenus un frein à la prolifération des microsystèmes électroniques, de part leur durée de vie limitée ainsi que des considérations environnementales (recyclage). Pour palier à ce problème, la possibilité d'exploiter l'énergie de l'environnement immédiat du dispositif a été proposée et a fait l'objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. En particulier, la récupération d'énergie mécanique exploitant l'effet piézoélectrique est l'une des pistes les plus étudiées actuellement pour la conception de microgénérateurs autonomes capables d'alimenter les dispositifs électroniques. Par ailleurs, dans ce domaine, il a été démontré qu'un traitement non-linéaire de la tension de sortie de l'élément actif permet d'améliorer les capacités de récupération de l'énergie vibratoire. L'une de ces approches, nommée "Synchronized Switch Harvesting on Inductor" (récupération par commutation synchronisée sur inductance) et consistant en une inversion de la tension de manière synchrone avec le déplacement, s'est montrée particulièrement efficace, pouvant augmenter la quantité d'énergie récupérée par un facteur supérieur à 10. Cette dernière conduit à un processus cumulatif qui augmente artificiellement la tension de sortie de l'élément piézoélectrique ainsi qu'à une réduction du déphasage entre tension et vitesse de déplacement ; ces deux effets conduisant à l'augmentation importante des capacités de conversion. Néanmoins, l'étude des microgénérateurs d'énergie s'est quasiment toujours faite en considérant une excitation sinusoïdale, ce qui correspond rarement à la réalité. Peu de travaux expérimentaux, et encore moins théoriques, ont été menés en considérant une excitation large bande ; ceci étant d'autant plus vrai pour les dispositifs incluant un élément non-linéaire. Ainsi l'objectif de cette thèse est d'étudier le comportement des récupérateurs d'énergie piézoélectriques interfacés de manière non-linéaire. Pour ce faire, différentes approches seront envisagées, en considérant le processus de commutation comme un " auto-échantillonnage " du signal, ou en appliquant des théories d'analyse stochastique pour quantifier les performances du dispositif. Ainsi, plusieurs formes d'excitation appliquée au système pourront être analysées, permettant d'étudier la réponse du système sous des conditions plus réalistes. Toujours dans l'optique d'une implémentation réaliste, un autre objectif de cette thèse consistera à évaluer l'impact de la récupération d'énergie par couplage sismique sur la structure hôte, démontrant la nécessité d'envisager le système dans sa globalité afin de disposer de systèmes performants capables de convertir efficacement l'énergie vibratoire sous forme électrique pour un usage ultérieur.

Le contrôle des vibrations est devenu un enjeu majeur et a reçu une attention considérable dans de nombreuses applications industrielles. Diverses approches de recherche ont été exploitées pour réduire les vibrations indésirables. Les matériaux intelligents développés peuvent contrôler et supprimer les vibrations d'une manière efficace et intelligente avec un poids ajouté supplémentaire négligeable par rapport au système. La majorité des recherches sur les matériaux intelligents a mis l'accent sur le contrôle d’une structure composite constituée avec des transducteurs piézoélectriques intégrés ou liés à la structure. Les avantages des matériaux piézoélectriques sont une bande passante élevée, une grande compacité, leur légèreté, leur facilité de mise en œuvre et les leurs bonnes caractéristiques de couplage électromécanique, ce qui les rend appropriés en tant que actionneurs et capteurs. Récemment, une technique de contrôle de vibration semi-passif non linéaire, appelé SSD (Synchronized Switch Damping) a été développée. SSD s'appuie sur une élévation cumulative de la tension aux bonnes de l’élément piézoélectrique résultant de la commutation continue de ladite tension. Il a été montré que les performances d’amortissement sont fortement liées à cette amplitude de tension totale disponible. Basé sur les techniques SSD, une nouvelle approche globale pour l'amortissement des vibrations d’une structure “intelligente” est proposée dans cette thèse. Elle est fondée sur une redistribution modale d'énergie par l'intermédiaire d'un réseau d'éléments piézoélectriques. L'objectif de ce travail est d’augmenter la tension piézo-électrique (directement lié à l'énergie opératoire d’amortissement) pour l'amélioration les performances d'amortissement. Dans cette approche semi-active proposée, l'énergie supplémentaire est fournie par un réseau d'éléments piézoélectriques qui recueille cette énergie sur les différents modes de vibration de la structure. Deux topologies de réseau d'origine sont développées pour le transfert d’énergie. L’une s'appelle SSDT "Synchronized Switch Damping by energy Transfer". L’autre est définie comme SSDD "Synchronized Switch Damping with Diode". L’évaluation et la comparaison des performances sont effectuées sur un modèle représentatif d'une plaque encastrée équipée de plusieurs éléments piézoélectriques dans le cas d’une excitation multimodale. Par rapport à la méthode SSDI modale, des résultats de simulation et un modèle global théorique sont enfin proposés pour démontrer la relation entre l'amélioration d’amortissement réalisable et l'énergie transférée par rapport à l'énergie mécanique de la structure. Ces résultats prouvent la capacité d'un réseau d'éléments piézoélectriques dans la gestion et la redistribution d'énergie de la structure pour améliorer l'amortissement de vibrations d’une structure intelligente. / Structural vibration control is an important issue and has received considerable research attention in many industry applications. Researches investigated various approaches to reduce undesirable vibrations. The smart materials can control and suppress vibration in an efficient and “intelligent” way without causing much additional weight. The majority of research in smart damping materials has focused on the control of composite structure using embedded or bonded piezoelectric transducers. The advantages of piezoelectric materials include high achievable bandwidth, compactness, lightness, easy implementation and good electromechanical coupling characteristics, thus making them appropriate for actuators and sensors applications. Recently, a non-linear semi-passive vibration control technique, so-called Synchronized Switch Damping (SSD), has been developed. SSD technique relies on a cumulative build-up of the voltage resulting from the continuous switching of the piezoelectric voltage and it was shown that the performance is strongly related to this total voltage amplitude available. Based on SSD techniques, a new global approach for improved vibration damping of smart structure, based on global energy redistribution by means of a network of piezoelectric elements is proposed in this thesis. The objective of this work is to propose a new approach to increase the piezoelectric voltage (also related to the damping operative energy) in order to improve the damping performance. In the proposed semi-active approach, the extra energy used to improve this voltage is gathered on the various modes of the structure using an interconnected piezoelectric element network. Two original network topologies are developed for transferring energy. One is named SSDT for “Synchronized Switch Damping by energy Transfer”. The second is defined as SSDD for “Synchronized Switch Damping with Diode”. Performance evaluations and comparisons are performed on a model representative of a clamped plate equipped with piezoelectric elements in the case of multimodal motion. Compared to the Modal-SSDI method used as a baseline, simulation results and a global theoretical model are proposed demonstrating the relationship between the achievable damping improvement and the ratio of transferred energy to the structure mechanical energy, thus proving the capability of a network of piezoelectric elements for global energy management and redistribution in order to improve the vibration damping of smart structures.

La décroissance de la consommation électrique des dispositifs électroniques leur a permis une croissance sans précédent. Néanmoins, les éléments de stockage d’énergie (piles et batteries), bien qu’ayant initialement promus ce développement, sont devenus un frein à la prolifération des microsystèmes électroniques, de part leur durée de vie limitée ainsi que des considérations environnementales (recyclage). Pour palier à ce problème, la possibilité d’exploiter l’énergie de l’environnement immédiat du dispositif a été proposée et a fait l’objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. En particulier, la récupération d’énergie mécanique exploitant l’effet piézoélectrique est l’une des pistes les plus étudiées actuellement pour la conception de microgénérateurs autonomes capables d’alimenter les dispositifs électroniques. Par ailleurs, dans ce domaine, il a été démontré qu’un traitement non-linéaire de la tension de sortie de l’élément actif permet d’améliorer les capacités de récupération de l’énergie vibratoire. L’une de ces approches, nommée «Synchronized Switch Harvesting on Inductor» (récupération par commutation synchronisée sur inductance) et consistant en une inversion de la tension de manière synchrone avec le déplacement, s’est montrée particulièrement efficace, pouvant augmenter la quantité d’énergie récupérée par un facteur supérieur à 10. Cette dernière conduit à un processus cumulatif qui augmente artificiellement la tension de sortie de l’élément piézoélectrique ainsi qu’à une réduction du déphasage entre tension et vitesse de déplacement ; ces deux effets conduisant à l’augmentation importante des capacités de conversion. Néanmoins, l’étude des microgénérateurs d’énergie s’est quasiment toujours faite en considérant une excitation sinusoïdale, ce qui correspond rarement à la réalité. Peu de travaux expérimentaux, et encore moins théoriques, ont été menés en considérant une excitation large bande ; ceci étant d’autant plus vrai pour les dispositifs incluant un élément non-linéaire. Ainsi l’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement des récupérateurs d’énergie piézoélectriques interfacés de manière non-linéaire. Pour ce faire, différentes approches seront envisagées, en considérant le processus de commutation comme un « auto-échantillonnage » du signal, ou en appliquant des théories d’analyse stochastique pour quantifier les performances du dispositif. Ainsi, plusieurs formes d’excitation appliquée au système pourront être analysées, permettant d’étudier la réponse du système sous des conditions plus réalistes. Toujours dans l’optique d’une implémentation réaliste, un autre objectif de cette thèse consistera à évaluer l’impact de la récupération d’énergie par couplage sismique sur la structure hôte, démontrant la nécessité d’envisager le système dans sa globalité afin de disposer de systèmes performants capables de convertir efficacement l’énergie vibratoire sous forme électrique pour un usage ultérieur. / A nonlinear interface consisting in a switching device has been proved to improve the piezoelectric harvester performance. Although existing works are usually done under single frequency excitation. practical cases are more likely broadband and random. In addition, the coupling effect due to the harvesting process is also an interesting issue to discuss. In terms of energy conversion process in seismic piezoelectric harvesters, mechanical interactions between host structure and harvester is an essential issue as well. The purpose of this work is to analysis seismic type piezoelectric harvesters from a practical perspective and to provide an optimal design of the latter. The broadband modeling based on the concepts of self-sampling and self-aliasing is described under broadband excitations for the nonlinear interface called "Periodic Switching Harvesting on Inductor" (PSHI). For this technique, the switching device is considered to be turned on at a fixed switching frequency. Then stochastic modeling is applied to have mathematical expressions that can describe broadband performance of the harvester with power spectral density (PSD) function of signals. As the switch is turned on at a given frequency, the modeling can be derived using cyclostationary theory. The effectiveness of stochastic modeling is validated with experimental measurements and time-domain iterative calculations, and the harvester performance under a band-limited noise excitation is discussed under bell-curved spectra excitations. An optimal switching frequency slightly less than twice the harvester resonant frequency is proved to have the optimal power output under the optimal resistive load. This switching frequency is however dependent on the electromechanical coupling factor of the harvester. Another part of this work discusses the interaction between the host structure and the harvester. The analysis is conducted with a Two-Degree-of-Freedom (TDOF) model. An energy conversion loop is therefore formed between the host structure and the harvester, within the harvester and the resistive load. The TDOF model is verified with Finite Element model and experimental work. An optimal mass ratio is proved to provide the maximal power output. The modeling is further applied to a practical self-powered Structural Health Monitoring system providing the best design of the harvester. A practical consideration of the broadband excitation is also introduced showing the effect of frequency detuning between the host structure and the harvester. Compared to constant force factor case, the harvester performance with a constant electromechanical coupling factor is surprisingly with very little decreases due to the mismatching of harvester and host structure resonant.

Le travail de cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle appelée SSDH (Synchronized Switch Damping and Harvesting) basée sur l’idée de redistribution de l’énergie récupérée pour réduire l’énergie vibratoire d’une structure. De nombreuses recherches ont concerné le contrôle de vibration des structures souples. L’utilisation de l’approche modale pour ce genre de structure présente de nombreux intérêts. Dans le cadre de cette thèse l’idée est de récupérer l’énergie des modes qui ne sont pas contrôlés de façon à améliorer l’effet d’amortissement des modes ciblés par le contrôle sur une même structure. Pour cela, sur la base de la technique semi-active de contrôle, un circuit de contrôle modal a été conçu pour être compatible, via un convertisseur, avec des techniques semi-active de récupération d’énergie qui ont elles même été adaptées en modal. Plusieurs variantes de la méthode SSDH ont été testées en simulation. De façon à estimer l’efficacité du concept, une application sur un modèle expérimental d’une smart structure simple est proposée. Actionneurs et capteurs utilisent des matériaux piézoélectriques qui présentent les effets directs et inverses utiles pour la récupération d’énergie et le contrôle vibratoire. Après optimisation des différents paramètres électromécaniques et électriques, les résultats des simulations menées sous excitations bisinusoidale ou en bruit blanc, montrent que la nouvelle méthode de contrôle autoalimentée SSDH est efficace et robuste. Elle améliore sensiblement l’amortissement produit par les techniques semi-actives modales de base (SSDI) grâce à l’utilisation de l’énergie modale récupérée. / In a context of embedded structures, the next challenge is to develop an efficient, energetically autonomous vibration control technique. Synchronized Switch Damping techniques (SSD) have been demonstrated interesting properties in vibration control with a low power consumption. For compliant or soft smart structures, modal control is a promising way as specific modes can be targetted. This Ph-D work examines a novel energy transfer concept and design of simultaneous energy harvesting and vibration control on the same host structure. The basic idea is that the structure is able to extract modal energy from the chosen modes, and utilize this harvested energy to suppress the target modes via modal control method. We propose here a new technique to enhance the classic SSD circuit due to energy harvesting and energy transfer. Our architecture called Modal Synchronized Switching Damping and Harvesting (Modal SSDH) is composed of a harvesting circuit (Synchronized Switch Harvesting on Inductor SSHI), a Buck-Boost converter and a vibration modal control circuit (SSD). Various alternatives of our SSDH techniques were proposed and simulated. A real smart structure is modeled and used as specific case to test the efficiency of our concept. Piezoelectric sensors and actuators are taken as active transducers, as they develop the direct and inverse effects useful for the energy harvesting and the vibration damping. Optimization are running out and the basic design factors are discussed in terms of energy transfer. Simulations, carried out under bi-harmonic and noise excitation, underline that our new SSDH concept is efficient and robust. Our technique improve the damping effect of semi-active method compared to classic SSD method thanks to the use of harvested modal energy.