Le développement de l’électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d’actualité de nos jours, dans les domaines tels que l’armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d’une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d’une antenne spirale, afin d’en réduire l’encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies – VHF), allant de 30MHz à 300MHz La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d’anneaux résonnants, dont le diamètre n’excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l’antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l’état de l’art d’après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n’excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d’après cet état de l’art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l’axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l’efficacité de l’antenne, voire de l’augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l’antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l’antenne sans anneaux n’est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d’antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l’étude de la réalisation d’une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d’onde de 4m). / Miniaturizing electronic devices is a great challenge in crucial research domain such as defense, medicine, and telecommunications. Wideband antenna miniaturization operating on more than a decade is a particular issue. This thesis presents an original method for miniaturizing a spiral antenna, reducing its diameter while keeping its bandwidth, its radiating performances and its axial ratio characteristics. This method is applied to UHF spiral antenna (from 750MHz) and VHF antenna (from 75MHz). The new geometry adds stacked resonant rings to an Archimedean spiral antenna. Their diameter are the same, hence no rise of the antenna diameter. For a 5-ring spiral antenna, the lowest operating frequency reduction is higher than 30%. That is equivalent to a 30% reduction of the diameter for two antennas sharing the same lowest operating frequency, hence a 50% reduction of the area of the antenna. These reduction factors surpass the reduction factors of the state of art of 15%. Besides, according to the state of art, the miniaturizing techniques imply some degradation of the gain and axial ratio performances at the lowest operating frequencies. The new method improves on the other hand these characteristics at these frequencies. At higher frequencies, the rings do not interfere with the matching of neither the spiral antenna nor its radiation characteristics. These results were validated by fabricated antenna measurements. A 30% reduction of the diameter was obtained on a 5-ring-8cm-large antenna as well as on a 5-ring-1m-large antenna. No impairment was noticed on the radiation of the antennas, even at the lowest operating frequencies. The thesis also discusses the difficulties which came in addition for the fabrication (mass, size and mechanical resistance) and measurement (radiation interferences and measurement isolation – the wavelength being 4m) of the VHF antenna.

C’est dans la course au débit que de nouveaux systèmes de communications sans fil sont proposés aujourd’hui afin de répondre à cette demande. Il n’existe pas de technologie ou de standard unique pour remplacer toutes les autres technologies radio tout en satisfaisant l’ensemble des besoins de services et d’usages. Les futurs systèmes de communications devront donc permettre l’interopérabilité entre les dif- férents standards au niveau européen et mondial. L’émergence des technologies de la radio intelligente constitue aujourd’hui une solution originale et prometteuse pour répondre à ce challenge. Cependant, le déploiement de ces systèmes soulève encore de nombreux défis techniques notamment au niveau des antennes. Ces dernières doivent en particulier être capables de modifier leurs réponses en fréquences ou bien avoir une très large bande tout en minimisant la déformation des formes d’ondes. Elles doivent répondre aux besoins de cohabitation multi-systèmes et de miniaturisation. Or la miniaturisation et la largeur de bande sont limités par des contraintes physiques et les caractéristiques des matériaux les constituant. Les métamatériaux, des composites électromagnétiques artificiels, peuvent permettre la conception d’éléments rayonnants pour la radio intelligente avec un plus grand degré de liberté et à moindre coût. Cependant l’analyse de l’association des métamatériaux à des antennes ou éléments rayonnants n’est pas aisé, surtout quand les antennes prennent une forme arbitraire. Pour adresser ces challenges les techniques classiques de conception d’antennes ne sont pas suffisantes. Pour cela, nous proposons dans ce travail une approche basée sur la conception modale utilisant la théorie des modes caractéristiques. Cette approche démontre un potentiel remarquable dans la conception des antennes électriquement petites ainsi les antennes basées/inspirées des métamatériaux. En outre, l’évaluation des performances d’antennes à formes arbitraires en fonction des paramètres géométriques à été démontré sans considération d’une excitation prédéfinie. Ceci offre un énorme avantage pour les techniques basées sur l’optimisation des formes d’antennes. Finalement, une antenne très large bande dédiée au sondage du spectre est présentée. L’approche modale a été utilisée afin de garantir un diagramme du rayonnement stable sur toute la bande de fréquence ainsi qu’une bonne efficacité dans le régime électriquement petit. Plusieurs validations expérimentales sont également présentées. / The rise of wireless communication systems and the big demand of high bit rate links have entailed researches to lie over new communications systems. With this diversity of wireless systems, flexibility for operating between different standards is strongly needed. Cognitive radio (CR) consist the future system that can offer this flexibility. The new features of CRs remains many challenges to their antennas. Miniaturization, isolation and bandwidth improvement, are all real needs and effective challenges. Especially when the geometry of the antenna become more complex in order to fit the terminal chassis. The use of metamaterials (MTM) has been introduced to overcome physics limitations in order to undertake these needs. The analysis of MTM in presence of radiating elements such antennas prove to be a challenge. In this thesis, an new approach to address these challenges is proposed. It is based on a modal concept using the theory of characteristic modes (TCM). It proves to be useful to analyse and design of electrically small antenna (ESA), metamaterial-inspired antennas and metamaterial-based antennas. Furthermore, the same approach is used to evaluate the antenna performances when surrounded by complex artificial materials by proposing closed formulas for the quality factor. This remains into a huge advantage in the antenna shape optimisation in the antenna industry. As a proof of concept, an extremely-wide-band antenna for underlay CR (sensing antenna) is developed using the proposed approach in order to have stable radiation pattern an high efficiency in the electrically small regime. An experimental validation of the performances of all the presented designs is also provided.

Poursuivant l'essor des méta-matériaux micro-ondes et photoniques, les cristaux phononiques, organisations périodiques de matériaux acoustiquement différents présentant notamment des bandes d'arrêt, c'est-à-dire de plages de fréquences pour lesquelles aucun mode ne se propage dans la structure, laissent entrevoir des applications acoustiques hors de portée des technologies existantes. Dans cette thèse, nous visons des réalisations aux fréquences RF afin de viser des applications complémentaires des résonateurs ou des filtres acoustiques largement employés dans le domaine des transmissions sans fil. Nous avons tout d'abord développé un procédé de fabrication simple permettant de réaliser des cristaux phononiques à deux dimensions à l'échelle micrométrique sur membrane piézoélectrique, afin de rendre ces systèmes compatibles avec les composants à ondes de Lamb développés au CEA-LETI pour des applications de filtrage de canal dans des architectures de transmission sans fil faible consommation. Ce procédé a été utilisé pour réaliser des cristaux phononiques, ainsi que des résonateurs à ondes de Lamb, ou à ondes de volume et des structures plus complexes comme par exemple des filtres passe-bande. Une étude paramétrique des composants à ondes de Lamb nous a permis d'affiner notre maîtrise de ces dispositifs, ce qui nous a été utile pour la mise au point des lignes à retard permettant de caractériser les propriétés de transmission acoustique des cristaux phononiques. Du point de vue théorique, un modèle de simulation par éléments finis a été mis en place, dans un premier temps pour dimensionner les structures réalisées et prendre en compte les modifications apportées par la réalisation technologique. Nous avons ensuite réalisé des cristaux phononiques que nous avons caractérisés électriquement et optiquement, en collaboration avec l'Institut FEMTO-ST. Les mesures confirment la présence de bandes d'arrêt, aux fréquences attendues, mais d'une largeur a priori bien supérieure à celle prévue par la simulation. Une étude détaillée des diagrammes de bandes attribue ce phénomène à la présence de bandes sourdes dans le cristal ne pouvant être excitées par les transducteurs utilisés. Cet aspect est d'une importance critique dans le dimensionnement de cristaux phononiques en vue d'une utilisation dans des applications pratiques. / In the straight line of photonic and microwave meta-materials, phononic crystals are foreseen to enable novel acoustic applications that existing technologies cannot reach. These phononic crystals are periodic organisation of acoustically different materials exhibiting, for example, qtop bands, which means frequency ranges in which no wave can propagate in the structure. In this thesis we target RF frequencies in order to investigate applications complementary to the conventional resonators or filters widely used in mobile telecommunication systems. We developed a simple process flow to realise micrometric two-dimensional phononic crystals on a piezoelectric membrane. These structures are fabricated along with Lamb wave devices studied in CEA-LETI for channel filtering in low consumption wireless transmission architectures, and with bulk wave resonators or more complex structures like band-pass filters. A parametric study of Lamb wave resonators sharpens our knowledge on these devices, which allow us to design and fabricate delay lines to characterise acoustic transmission properties of phononic crystals. From a theoretical point of view we set up a simulation model using finite element method. This model was used to design the phononic crystal we realised, and to take into account the effects of the modifications brought by the technological realisation. We then fabricated phononic crystals, and electrically and optically characterised them, in collaboration with FEMTO-ST institute. Measurements confirmed the presence of band gaps at the targeted frequency, but over a wider frequency range than predicted by calculation. A detailed study of band diagrams is attributing this phenomenon to the presence of deaf bands, which cannot be excited by interdigitated fingers. This shows that the determination of these deaf bands is of critical importance in designing phononic crystals for practical applications.

Dans un contexte de généralisation des systèmes de communication sans fil, le besoin de miniaturiser les antennes pour permettre leur intégration sur de petits objets aux fréquences UHF est croissant. A ces fréquences, l'antenne est le composant le plus volumineux et sa miniaturisation constitue un des défis actuels les plus importants des concepteurs d'objets communicants. Cependant la miniaturisation des antennes s'accompagne généralement d'une dégradation de son efficacité et de sa bande passante. Par conséquent, les structures miniatures généralement conçues résultent d'un compromis entre bande passante, efficacité et taille électrique. Afin de palier à ce problème de bande passante, la technique d'agilité fréquentielle peut s'avérer intéressante pour certains systèmes de communication sans fils. Les travaux de ce mémoire s'inscrivent dans la continuité des recherches sur les antennes à la fois miniatures et performantes. Le premier objectif de cette thèse est d'étudier et de développer une antenne miniature originale susceptible de répondre aux besoins des systèmes sans fils actuels. Le deuxième axe de recherche s'intéresse à la reconfigurabilité fréquentielle de l'antenne miniature initialement développée. La reconfigurabilité ou l'agilité fréquentielle constitue une solution intéressante pour pallier au problème de la bande passante réduite liée à la miniaturisation. Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations et des expérimentations visant à valider les résultats marquants obtenus. / Current telecommunication systems and especially mobile terminals require compact antennas with significant bandwidth. But one of the well-known drawbacks of electrically small antennas is their very narrow frequency bandwidth. The aim of this study is to develop a miniature antenna with good performances. A compact omnidirectional antenna corresponding to the need of telecommunication systems is first studied. The antenna is miniaturised by two different techniques and developped. Due to this miniaturization, a weak bandwidth is obtained. Several solutions using frequency agility are subsequently studied. Modelization, simulation and experiments are presented in the thesis to validate the whole study. A BAN (Body Area Network) application of the antenna is finally given.

Les problématiques d'intégrabilité et de consommation des circuits sont au centre des spécifications des émetteurs pour la téléphonie mobile. L'architecture polaire est une alternative intéressante aux architectures cartésiennes pour réduire la consommation, la surface et la pollution de l'amplificateur de puissance (PA) sur la boucle à verrouillage de phase (PLL). Néanmoins, l'évolution des nouvelles normes de téléphonie mobile est allée de pair avec un élargissement de la bande passante des modulations, ce qui peut se montré critique pour l'architecture polaire. Les travaux de cette thèse se concentrent plus particulièrement sur le chemin de phase pour des modulations larges bandes, ce dernier étant moins étudié dans la littérature que le chemin d'amplitude par le PA. La modulation de phase large bande est réalisée directement par la PLL, qui reçoit en consigne à la fois le canal à adresser et la modulation qui est insérée en 2 points de la PLL. L'architecture de la PLL peut être analogique ou numérique. Grâce à des modèles événementiels développés sous Matlab, l'étude met en évidence certains phénomènes qui ne peuvent pas être observés par des modèles linéaires largement utilisés (Laplace, transformé en « z », …). L'étude identifie notamment, pour la PLL analogique, un phénomène de mélange du bruit avec la modulation dégradant fortement la qualité du signal. Ce travail propose une méthode de dimensionnement des filtres de modulation et de la fréquence de référence de la PLL pour résoudre ce problème. Pour la PLL numérique, un autre phénomène est identifié et amène à insérer la modulation en 3 points de la PLL. Finalement, une méthode de dimensionnement des banques de capacités dédiées à la modulation sur l'oscillateur est proposée. / Power consumption and integration are two key challenges of today mobile transmitter, especially for mobile phone applications. The polar architecture is an interesting alternative to classic architectures in order to reduce the power consumption, the silicon area and the pollution from the PA to the PLL. Unfortunately, the communication standards evolution such as LTE goes with a modulation bandwidth enlargement. This becomes critical for the use of polar architecture. Contrary to amplitude modulation done through the PA, phase modulation path through the PLL is less covered in literature. This phase modulation path which can be either analog or digital is the purpose of this work. Thanks to nonlinear event-driven models developed with Matlab, it has been possible to show some phenomenon which cannot be observed with widely used linear models (in Laplace or z-domain). For instance, in the fractional-N PLL, a mixing between the noise and the modulation signal strongly degrades the modulation performance. A method combining PLL sizing and modulation filtering is proposed to solve this issue. For the digital PLL, TDC gain estimation has a big impact on the EVM (Error Vector Magnitude) for wideband modulations and a solution is proposed which consists of converting the classical two-point modulator into a three-point modulator. Finally, an oscillator's capacitors banks sizing dedicated to the modulation is proposed.

La récupération d'énergie à partir des sources de vibration est une des stratégies développées pour l'alimentation de capteurs autonomes communicants. La variabilité des gisements vibratoires dans l'environnement constitue un défi notable pour l'obtention de performances satisfaisantes et appelle au développement de dispositifs de récupération d'énergie à large bande passante. Les générateurs basés sur des oscillateurs mécaniques non linéaires bistables ont démontré des performances particulièrement intéressantes. Grâce à l'effet de conversion fréquentielle notamment, la plage de fonctionnement est considérablement augmentée. Une nouvelle architecture de générateur bistable basée sur un oscillateur non linéaire et des composants piézoélectriques est proposé dans la thèse. Ce générateur possède des caractéristiques particulièrement favorables en termes de compacité et de simplicité. Des études théoriques et expérimentales ont été menées. En utilisant les excitations canoniques dans le cas de systèmes dynamiques non linéaires (balayage fréquentiel et bruit blanc), les gains obtenus par rapport à des générateurs linéaires ont été quantifiés. Les performances du générateur proposé sont également supérieures à celles des générateurs bistables de la littérature. Une attention particulières a été portée à l'étude des réponses dynamiques non linéaires complexes révélant la présence d'attracteurs étranges et l'influence des conditions initiales. Une analyse spectrale est également utilisée pour améliorer la compréhension du comportement du générateur. L'adimensionnement des équations d'équilibres donne à ces analyses une portée générique. Selon le modèle normalisé développé, la performance d'un générateur bistable est liée à quatre paramètres critiques: l'amortissement structurel, le niveau de couplage électromécanique, le niveau de flambement et la fréquence caractéristique. Un facteur de mérite est proposé et constitue un élément de comparaison pertinent entre générateurs. Une stratégie de conception optimale a été élaborée et mise en œuvre pour la réalisation d'un générateur miniaturisée. Après une caractérisation expérimentale complète utilisant les signaux canoniques, son potentiel d'application à des cas plus proches des environnements réels a été étudié en répliquant en laboratoire l'excitation mesurée sur un véhicule en roulage. L'association du générateur bistable avec une technique d'extraction d'énergie non linéaire a été réalisée : la technique OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) est choisie. Les gains de performances obtenus pour différents niveaux de couplage électromécanique dans le cas des excitations canoniques sont étudiés. L'énergie récupérée est considérablement augmentée en cas de faibles couplages électromécaniques. Lorsque celui-ci est plus élevé, les performances sont comparables à celles obtenues avec un simple pont redresseur, mais l'indépendance à l'impédance d'entrée du circuit alimenté dans le cas de la technique OSECE peut être un avantage déterminant pour des applications réelles. Finalement, compte tenu des gains attendus par l'approche combinée oscillateur bistable et technique OSECE, l'auto-alimentation du circuit actif OSECE est réalisée dans le cas d'un oscillateur bistable par des moyens mécaniques. La complexité du générateur est légèrement augmentée dans la mesure où des butées mécaniques et un système de contacteurs électriques sont ajoutés. Les résultats démontrent le potentiel de l'approche qui capitalise les bénéfices de l'oscillateur bistable et du circuit d'extraction non linéaire. / As scavenging the energy from the vibration sources has the wide adaptability and the easy feasibility of integration with other sources, it becomes one of the hottest topic in the energy harvesting field. Numerous works have been done to enhance the harvested power by optimizing the interface circuit and the mechanical structure. The variability of the environmental vibrations introduces a challenge to the conventional linear harvesters and calls for the development of wideband vibration generators. Plenty of approaches have been proposed. Bistable generators have shown some of the best properties of the frequency-up-conversion effect at the low frequency range and the bandwidth increase from the nonlinear backbone response. A novel bistable generator with a BSM (Buckled-Spring-Mass) architecture is proposed in the thesis. This BSM generator possesses some especially desired properties of compactness and simplicity. Utilizing the chirp and noise excitations, experimental and numerical investigations have shown that it effectively extends the operation bandwidth compared with linear generators. The performance is also demonstrated to be better than most of the reported bistable generators. The complex nonlinear dynamics have been studied, including the strange attractor and the influence of the initial condition. A spectrum method is also used to give more details about the motion of the BSM generator. According to the developed normalized model, the BSM generator's performance is related to four critical parameters: structural damping, electromechanical coupling level, buckled position and characteristic frequency. Applying the concluded optimization and design procedures, a miniaturized BSM generator of the millimeter scale has been produced and tested. The application potential is further investigated with a replicated realistic excitation from the wheel of a driving car. Moreover, a wireless demonstration platform has been constructed to exhibit the wideband operation ability.A figure of merit is proposed to make fair comparisons between the literature nonlinear wideband generator and the BSM generators. Chapter 4 presents a novel energy harvesting solution which combines the BSM generator with a nonlinear extraction technique: the OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) technique is used along with the BSM bistable generator.The performances of the proposed solution for different levels of electromechanical coupling coefficients in the cases of chirp and noise excitations are compared against the performance of the BSM generator with the standard technique. It is shown that the harvested energy is drastically increased for all excitations in the case of low electromechanical coupling coefficients. When the electromechanical coupling coefficient is high, the performance of the OSECE technique is not as good as the standard circuit for forward sweeps, but superior for the reverse sweep and band-limited noise cases in the tested range. Finally, a self-powered approach for the combination of the BSM generator and the OSECE circuit is realized by replacing the electronic switches with mechanical switches and introducing additional stoppers. It allows wideband harvesting capability, high harvested power and autonomous features. A model of this novel generator is detailed and experimentally validated. Discussions and optimizations are performed to find the optimal parameters and fully investigate the performance of the proposed generator. It shows that introducing the stoppers and the self-powered OSECE circuit using mechanical switches can substantially enhance the harvested power with moderate additional complexity.

L'objectif de la thèse est l'élaboration de lois de commande de haute performance et leur validation en temps réel sur une plateforme expérimentale 3D de nano-positionnement à base de courant à effet tunnel, développée au laboratoire GIPSA-lab. Elle s'inscrit donc dans le cadre des systèmes micro-/nano-mécatronique (MEMS), et de la commande. Plus précisément, le principal enjeu considéré est de positionner la pointe métallique à effet tunnel (comme en microscopie à effet tunnel STM) contre la surface métallique en utilisant des actionneurs piézoélectriques en X, Y et Z et un micro-levier (comme en microscopie à force atomique AFM) actionné électrostatiquement en Z avec une grande précision et une bande passante élevée. Cependant, la présence de différents effets indésirables apparaissant à cette petite échelle (comme le bruit de mesure, des non-linéarités de natures différentes, les couplages, les vibrations) affectent fortement la performance globale du système 3D. En conséquence, une commande de haute performance est nécessaire. Pour cela, un nouveau modèle 3D du système a été développé et des méthodes de contrôle appropriées pour un tel système ont été élaborées. Tout d'abord l'accent est mis sur de positionnement selon les axes X et Y. Les effets d'hystérésis et de fluage non linéaires présents dans les actionneurs piézoélectriques ont été compensés et une comparaison entre les différentes méthodes de compensation est effectuée. Des techniques modernes de commande robuste SISO et MIMO sont ensuite utilisées pour réduire les effets des vibrations piézoélectriques et des couplages entre les axes X et Y. Le mouvement horizontal est alors combiné avec le mouvement vertical (Axe Z) et une commande du courant tunnel et du micro-levier. Des résultats expérimentaux illustrent le nano positionnement 3D de la pointe, et des résultats de simulation pour la reconstruction de la topographie de la surface ainsi que le positionnement du micro-levier à base d'un modèle multi-modes. / The objective of this thesis was to elaborate high performance control strategies and their real-time validation on a tunneling current-based 3D nanopositioning system developed in GIPSA-lab. The thesis lies in the domain of micro-/nano mechatronic systems (MEMS) focused on applications of fast and precise positioning and scanning tunneling microscopy (STM). More precisely, the aim is to position the metallic tunneling tip (like in STM) over the metallic surface using piezoelectric actuators in X, Y and Z directions and actuated micro-cantilever (like in Atomic Force Microscope AFM), electrostatically driven in Z direction, with high precision, over possibly high bandwidth. However, the presence of different adverse effects appearing at such small scale (e.g. measurement noise, nonlinearities of different nature, cross-couplings, vibrations) strongly affect the overall performance of the 3D system. Therefore a high performance control is needed. To that end, a novel 3D model of the system has been developed and appropriate control methods for such a system have been elaborated. First the focus is on horizontal X and Y directions. The nonlinear hysteresis and creep effects exhibited by piezoelectric actuators have been compensated and a comparison between different compensation methods is provided. Modern SISO and MIMO robust control methods are next used to reduce high frequency effects of piezo vibration and cross-couplings between X and Y axes. Next, the horizontal motion is combined with the vertical one (Z axis) with tunneling current and micro-cantilever control. Illustrative experimental results for 3D nanopositioning of tunneling tip, as well as simulation results for surface topography reconstruction and multi-mode cantilever positioning, are finally given.

Le générateur de vapeur a un rôle d’échangeur thermique et de sûreté nucléaire. L’énergie du fluide primaire est transférée au circuit secondaire via un faisceau de tubes en U soutenus par des plaques entretoise. Un dépôt modifie les conditions de liaison et l’écoulement du fluide secondaire. Le tube peut alors entrer en instabilité fluide-élastique, qui aboutit à une ruine rapide. Cette thèse vise à mieux comprendre l’effet de la non-linéarité de contact sur la dynamique d’un tube en air rentrant en contact intermittent avec les entretoises et ses conséquences en présence d’une instabilité. La discrétisation des conditions de contact entre le tube et les plaques, par des obstacles circulaires répartis sur l’épaisseur, ainsi que l’utilisation de bases de réductions enrichies permettent des résolutions numériques non-linéaires fiables et rapides, numériquement valides pour de fortes non-linéarités et des amortissements modaux négatifs, et bien corrélées avec les mesures correspondantes. On analyse les évolutions du contenu spectral (DSP) en fonction de l’amplitude d’excitation : remplissage des anti-résonances, décalage et étalement des pics ; puis on met en évidence la pertinence d’une notion de raideur apparente d’un contact bilatéral permanent qui permet de décrire ces transitions. En présence d’un système libre instable, on montre enfin que la non-linéarité conduit à des réponses bornées ou stabilisées ouvrant ainsi la voie vers une extension des travaux réalisés vers des applications avec fluide réel ou simulé. / The steam generator is a heat exchanger and participates to the nuclear safety. Energy is transferred from the primary to the secondary fluid through many U-tubes maintained vertically by support plates. A sludge deposit tends to modify the boundary conditions and the secondary fluid flow. A fluid-elastic instability can then occur and lead to quick tube ruin. This thesis seeks a better understanding of the effect of contact nonlinearity on the dynamics of a tube in-air intermittently impacting the support plates and its consequences in regards with instability. The use of discretized contact conditions with circular obstacles distributed over the thickness of the plates and the use of enriched reduction bases allow quick and relevant nonlinear numerical simulations. These simulations are well correlated with experimental measurements and valid even with strong nonlinearity or negative modal damping. The evolution of power spectral densities (PSD) with growing excitation amplitude is analyzed: padding of the anti-resonances, peak shift and spread. It is then shown that an apparent stiffness associated with a permanent bilateral contact is pertinent to describe these transitions. In the case of an unstable linear system, one demonstrates that the nonlinearity keeps the responses bounded or stabilised, thus paving the way for future work with real or simulated fluid flows.

Les exosquelettes sont des robots mobiles assistant les humains de multiples façons, que ce soit pour la réadaptation, l’augmentation de la force ou la réduction du coût métabolique. Plusieurs exosquelettes sont maintenant commercialisés et utilisés dans des domaines militaires, médicaux et industriels. Ces dispositifs doivent interagir avec l’humain, et donc posséder un haut niveau de transparence mécanique qui est atteint ultimement lorsque les mouvements humains ne sont pas affectés par le robot. Cette aptitude constitue en fait le plus grand défi de conception d’un exosquelette. Les deux caractéristiques qui définissent une bonne transparence sont une bande passante élevée et une bonne réversibilité du mécanisme. Pour atteindre ces deux critères, le système de distribution de puissance, constitué de l’actionnement et de la transmission, doit être léger, doit posséder peu d’inertie reflétée et peu de friction. Les systèmes de distribution de puissance utilisés actuellement dans les exosquelettes comportent par contre un compromis fondamental entre une bonne densité de force et un bon niveau de transparence; en général, les exosquelettes forts ne sont pas transparents, et vice-versa. Certaines applications requièrent par contre à la fois force et transparence, un exosquelette pour la course en est un bon exemple. Dans le but de pallier cette problématique, ce mémoire présente le développement et la caractérisation d’un système de distribution de puissance possédant une bonne densité de force ainsi qu’un bon niveau de transparence. Ce système est composé d’embrayages magnétorhéologiques (MR) couplés à une transmission hydrostatique comportant des cylindres à membranes déroulantes. Les embrayages MR possèdent une bonne bande passante (>50 Hz), une bonne densité de force et peu d’inertie reflétée. Couplée aux embrayages MR, la transmission hydrostatique est très rigide, possède peu de friction ainsi qu’une faible inertie. La transparence a été évaluée expérimentalement et à l’aide d’un modèle analytique et numérique. Les résultats obtenus démontrent que le système est à la fois fort et transparent, ce qui lui confère un haut potentiel d’être employé dans les exosquelettes. Les essais expérimentaux ont été effectués sur une interface haptique à un degré de liberté prenant la forme d’un joystick. Les résultats démontrent une bonne transparence du système avec une bande passante supérieure à 40 Hz et des niveaux des forces restrictives (inertie et friction) ne dépassant pas 11 % de la force maximale (bonne réversibilité du mécanisme) de 112 N au bout du joint haptique. Le modèle analytique et numérique élaboré confirme ces résultats et sert également de guide à la conception en fournissant des tendances de bande passante et de forces restrictives en fonctions de différents paramètres de la transmission hydrostatique. Enfin, les performances de ce système ouvrent la voie à de nombreuses applications d’exosquelettes transparents, forts, peu coûteux et versatiles.

Les doublets d'hélices contra-rotatives (CROR) sont un moyen alternatif aux turbofans actuels pour propulser les avions commerciaux. Un CROR est composé de 2 soufflantes coaxiales non carénées tournant dans des sens opposées. Actuellement, les CROR pourraient réduire les émissions de CO2 mais les émissions sonores pourraient être un frein à leur commercialisation. Au décollage et en condition d'approche, le son est principalement créé par la charge instationnaire subie par un des rotor. Cette charge provient de l'interaction d'un des rotors avec des fluctuations de vitesses périodiques produites par l'autre. Ce bruit d'interaction provient principalement de 3 sources principales. La première est liée à l'interaction des sillages visqueux provenant du rotor amont qui se font découper par le bord d'attaque des pales du rotor aval. La seconde est liée au potentiel de vitesse créé par le bord d'attaque des pales du rotor aval qui influence les vitesses vues au bord de fuite des pales du rotor amont. La dernière provient de l'interaction des pales du rotor aval avec les tourbillons d'extrémités créés en tête ou en pied de pale du rotor amont. Cette dernière interaction s'est avérée principale pour des conditions d'approche et de décollage. Pour réduire l'interaction tourbillon de tête - pale aval pour des conditions nominales de vol, le rayon maximal des pales du rotor aval est rogné. Le rognage classique est obtenu pour les conditions de décollage et d'approche où l'effet de contraction de la veine fluide est le plus important. Cependant, le CROR est alors considéré avec un écoulement uniforme sans angle d'incidence. Avant de prendre en compte les effets d'incidences, il peut être intéressant de prendre en compte l'angle de contraction de la veine fluide qui pour certaines configurations et points de fonctionnement est suffisant pour réactiver l'interaction pale-tourbillon. L'interaction est alors tridimensionnelle, toutes les composantes de la vitesse du tourbillon contribuent au bruit émis. Le but de cette étude sera d'analyser l'influence de la contraction de la veine fluide et des trois composantes de la vitesse du tourbillon de tête sur la charge instationnaire vu par la pale aval. Ces améliorations seront implémentées dans un outil de prévision de bruit de turbomachines : Optibrui. Une étude paramétrique préliminaire sera faite sur cette source. Les retombées de cette étude sont doubles. Tout d'abord, une meilleure compréhension des mécanismes d'interactions entre un tourbillon et une pale tournante dans des conditions réalistes sera possible. Ensuite, un outil rapide d'évaluation préliminaire du bruit provenant de l'interaction pale-tourbillon sera incorporé dans le but de pouvoir effectuer une optimisation aéroacoustique sur des géométries préliminaires.