La technologie de récupération d’énergie correspond au processus de conversion de l’énergie ambiante en énergie électrique utile à travers l’utilisation d’un matériau ou d’un transducteur spécifique. Cette énergie ambiante est présente généralement dans l’environnement du dispositif électronique autonome. L’exploitation de cette énergie peut permettre d’alimenter des dispositifs électroniques autonomes, sans l’utilisation de batteries conventionnelles. Parmi les différentes sources d’énergie ambiantes (solaire, flux d’air, flux thermiques, vibrations, etc.), les vibrations ambiantes sont une des sources d’énergie les plus répandue et suscitent ainsi un nombre croissant de travaux de recherche. Cette thèse porte sur la conception d’un dispositif complet de récupération de l’énergie des vibrations qui est adapté à des vibrations ambiantes large bande à partir de transducteurs piézoélectriques. Le système comprend un générateur piézoélectrique qui transforme l’énergie vibratoire mécanique en énergie électrique et un circuit d’extraction qui extrait et stocke l’énergie générée dans un élément de stockage. La première partie de la thèse présente une structure linéaire intégrant deux butées mécaniques symétriques. Les performances entre cette structure et une structure linéaire classique sont comparées dans plusieurs cas d’excitation. La raideur linéaire par-morceaux de la structure proposée permet d’agrandir considérablement la largeur de la bande fréquentielle de fonctionnement du générateur piézoélectrique. La deuxième partie de la thèse propose un circuit d’extraction d’énergie avancé nommé OSECE (Optimized Synchronous Electrical Charge Extraction). Il s’agit d’une amélioration de la technique SECE (Synchronous Electrical Charge Extraction). Le circuit électronique et la stratégie de commande de commutation sont simplifiés, mais l’efficacité de conversion d’énergie est également accrue. En outre, le circuit de OSECE est une interface d’extraction faiblement dépendante de la charge, ce qui est une caractéristique favorable à la récupération d’énergie vibratoire large bande. Afin de rendre le circuit de OSECE capable de fonctionner de façon autonome, la troisième partie de la thèse propose deux méthodes d’autoalimentation dédiées à la technique OSECE. L’une est une approche électronique qui utilise des circuits de détection de maximum pour piloter les interrupteurs électroniques; l’autre est une approche mécanique qui intègre des butées mécaniques exploitées comme interrupteurs mécaniques synchrones, ceux-ci étant entraînés passivement par la vibration elle-même. Enfin, une plate-forme de démonstration pour le dispositif de récupération de l’énergie de vibration est développée et mise en œuvre au laboratoire. / Energy harvesting technology describes the process of converting ambient energy surrounding a system into useful electrical energy through the use of a specific materialor transducer. It has the ability to offer the prospect of powering autonomous electronic devices such as wireless sensor nodes without the use of conventional batteries. This thesis focuses on harvesting ambient vibration energy using piezoelectric materials, aims to address the challenge for the high performances of vibration energy harvesting devices (VEHDs) in the case of wideband vibrations. A typical piezoelectric based VEHD mainly comprises a piezoelectric generator (PEG) that transforms mechanical vibration energy into electrical energy and an energy extractioncircuit (EEC) that extracts and stores the generated energy into a storage element. Both of them need to be investigated and specially designed to enhance the power density in wideband vibrations. Consequently, the thesis starts on studying and modeling a classical linear PEG, then an advanced piecewise-linear PEG using two symmetrical mechanical stoppers is proposed and compared with the linear one. Several key parameters of the proposed PEG are discussed under the forward sweeping mechanical excitation. The different performances between the two PEGs are also presented under three kind of excitation signals. Hence, the thesis moves to study and model three EECs, which is also the major work of the thesis. Among them, standard EEC is the classical and simplest extraction circuit, but the energy conversion using this circuit is limited and strongly depends on the load. Synchronous electric charge extraction (SECE) EEC enhances the energy conversion of piezoelectric materials, it is also a load-independent circuit whose characteristic is very suitable for wideband vibrations. However, it introduces a complex switch control strategy that cannot be easily self-powered in stand-alone VEHDs. For this reason, we proposed anovel EEC named optimized synchronous electric charge extraction (OSECE) circuit. Not only the electronic circuitry and the switch control strategy are simplified, but also the energy conversion effectiveness is enhanced. The OSECE EEC is a load-weakly-dependent circuit, which is also a favorable characteristic for wideband vibration energy harvesting. The analytical expressions of the harvested powers using the above three EECs are derived and confirmed by the experimental results. Some additional energy losses in the nonlinear EECs are also listed and analyzed by using a simulation software. Since the OSECE EEC optimizes its switch control strategy, two kinds of self-powered approaches based on the OSECE technique are proposed in chapter 4. One is an electronic approach that uses peak detector (PKD) circuits to drive the switches synchronously; the other is a mechanical approach that integrates mechanical stoppers used as synchronous switches, so the switches are passively driven by the vibration itself. As a result, the second approach introduces an advanced VEHD which consists of the piecewise-linear PEG due to the mechanical stoppers and the nonlinear OSECE EEC. Finally, a power management unit which can directly provide the standard direct current (DC) voltage for the electronic modules is presented. A demonstration platform for the vibration energy harvesting technology are developed and evaluated in the laboratory environment.

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.

Les effets non linéaires de l’acoustique et en particulier le streaming de Rayleigh sont étudiés depuis les années 1850 où Lord Rayleigh fit l’observation d’un écoulement quasi permanent se superposant à l’onde acoustique qui se propageait dans un résonateur. Ce phénomène n’est donc pas nouveau et il a par ailleurs été le sujet de nombreuses études. Il a néanmoins été adopté comme point de départ de cette thèse, à ceci près que nous avons choisi de l’appliquer ici au cas particulier de la thermoacoustique. Cette nouvelle discipline qui a commencé à se développer dans les années 1980 met en œuvre un processus (basé sur la conversion réciproque entre énergie acoustique et énergie thermique) utilisé dans les systèmes thermoacoustiques tels que les moteurs ou réfrigérateurs. C’est une nouvelle technologie propre et fiable qui a de nombreux avantages. Cependant lorsque ces machines fonctionnent à forts niveaux acoustiques des effets indésirables viennent perturber le fonctionnement et réduire le rendement. Au cours de cette thèse nous nous sommes efforcés à analyser et évaluer expérimentalement ces effets indésirables et non linéaires qui se caractérisent entre autres par l’apparition du streaming de Rayleigh. Un objectif pas si élémentaire car ces phénomènes du second ordre amènent généralement à des situations délicates où les interactions et couplages entre les différents effets rencontrés sont très présents. L’interaction d’un gradient de température au sein du résonateur, de la géométrie de ce dernier ou encore l’interaction d’un stack thermoacoustique sur le streaming de Rayleigh sont autant de points sur lesquels nous nous sommes concentrés. Pour mener à terme cette étude, un premier résonateur acoustique muni d’une cellule de mesure a été utilisé pour valider la méthode expérimentale retenue. La PIV (Velocimétrie par Image de Particules) a été retenue comme technique la plus appropriée à la mesure des non linéarités de l’écoulement et du streaming de Rayleigh. Un second résonateur a ensuite été réalisé puis mis en place au laboratoire afin d’effectuer des mesures de plus grande envergure. Les résultats confirment les conclusions tirées de précédentes études et montrent la présence de quatre cellules contrarotatives au sein du résonateur. Par ailleurs la totalité du résonateur a pu être cartographiée permettant ainsi de visualiser l’ensemble des écoulements secondaires présents. L’intrication du streaming avec la température se révèle complexe. L’introduction de nouveaux éléments dans le résonateur (tels que les échangeurs) vient en effet créer des phénomènes qui se superposent aux effets déjà présents. Afin de continuer le travail débuté au cours de cette thèse, de nouveaux essais sont prévus. Ils permettront d’analyser plus finement les diverses interactions entre phénomènes. / Nonlinear acoustic effects and Rayleigh streaming in particular are studied since the 1850s when Lord Rayleigh made the observation of a quasi-steady flow superimposed on the acoustic wave propagating in a resonator. This phenomenon may not be new and it has moreover been the subject of numerous studies. However, it was adopted as the starting point of this thesis, except that we have chosen to apply it to the particular case of thermoacoustics. This new discipline that has started raising interest in the 1980s features a process –based on reverse conversion between thermal and acoustic energy- used in systems such as thermoacoustic engines and refrigerators. This is a new, clean and reliable technology that has many advantages. However, when these machines operate at high acoustic levels unwanted and nonlinear effects appear reducing the machine performances. In this thesis we therefore have tried to analyze and experimentally evaluate these effects which among other things are characterized by the appearance of Rayleigh streaming. This goal is not so elementary as these second-order phenomena generally lead to tricky situations where interactions and couplings between the different effects encountered are very present. The interaction of a temperature gradient within the resonator, the geometry of the latter or the interaction of a thermoacoustic stack on Rayleigh streaming are many points on which we focused. To complete this study, an acoustic resonator with a measurement cell was first used to validate the experimental method chosen. PIV (Particle Image Velocimetry) has proven to be an appropriate technique for the measurement of acoustical nonlinearities and Rayleigh streaming. A second resonator was then achieved and implemented in the laboratory to make measurements on a larger scale. The results confirm the findings of previous studies and show the presence of two counter-rotating cells within the resonator. Moreover the entire resonator has been mapped allowing visualizing all secondary flows. The interaction of streaming with temperature is complex. The introduction of new elements in the resonator such as heat exchangers has indeed created additional phenomena that superimposed on already existing effects. To continue the work started in this thesis, further tests are planned. They will further analyze the interactions between theses various phenomena.

Ce travail de thèse contribue à l'étude acoustique expérimentale des propriétés élastiques des milieux granulaires et de leurs évolutions lentes avec le temps faisant suite à des sollicitations mécaniques. Grâce à un montage expérimental et des protocoles expérimentaux précisément décrits, une étude des caractéristiques acoustiques linéaires et non linéaires d'une tranche de milieu granulaire est réalisée. Des zones fréquentielles caractéristiques de la fonction de transfert acoustique sont identifiées. Dans une zone basse fréquence, les propriétés élastiques du squelette solide (les billes et leurs contacts) régissent le comportement de la fonction de transfert acoustique. A plus hautes fréquences, seuls les paramètres acoustiques du fluide équivalent jouent un rôle. Il est montré que le couplage des modes de propagation au niveau de la détection du signal se manifeste à la transition entre ces zones caractéristiques. Les effets non linéaires d'auto-action et génération d'harmonique 2 dans cette tranche sont analysés pour différentes compacités. L'étude des effets de mémoire d'un échantillon granulaires est réalisée lors de la modification du protocole de compaction (l'amplitude de la sollicitation mécanique change de valeur). Cette modification entraîne des variations soudaines des paramètres élastiques et dissipatifs, linéaires et non linéaires, qui sont interprétées en termes de forces de contacts et distribution de forces de contacts. Pour la première fois, les effets de mémoire sont analysés via l'élasticité du milieu granulaire et non simplement via sa géométrie. Enfin, la relaxation lente des propriétés élastiques, linéaires et non linéaires, est observée suite à une unique sollicitation mécanique, un "tap". L'augmentation du paramètre élastique linéaire, la diminution de l'atténuation linéaire et les diminutions des paramètres non linéaires sont recueillies avec une résolution en temps de l'ordre de la seconde. Les rôles de la température et de l'hygrométrie de l'air ambiant dans les temps caractéristiques de relaxation qui sont de l'ordre de plusieurs minutes sont analysés. / This work is a contribution to the experimental acoustic study of the elastic properties of granular media and their slow evolutions during time after mechanical solicitations. With an experimental setup and experimental methods specially adapted, a study of the linear and nonlinear acoustic characteristics of a granular slab is done. Characteristic frequency regions of the acoustic transfer function are identified. In a low frequency band (<10 kHz) the elastic properties of the solid skeleton (beads and theirs contacts) govern the behavior of the acoustic transfer function. In a higher frequency range (15 - 30 kHz), only the acoustic parameters of the equivalent fluid play a role. It is shown that the coupling of propagation modes in the detected signal is visible at the transition between these characteristic frequency regions. The nonlinear effects of self-action and harmonic generation in this slab are analyzed for several compacities. Then the study of the memory effects in a granular sample is performed during the modification of the compaction process (the amplitude of the mechanical solicitation is changed). This modification makes sudden variations of the linear and nonlinear elastic and dissipative parameters. These modifications are interpreted in terms of contact forces and contact force distribution. For the first time, the memory effects are not simply analyzed via packing geometry effects but via elasticity of the granular packing. Finally, the slow relaxation of the linear and nonlinear elastic properties is observed after one single mechanical solicitation called "tap". The increase in the linear elastic parameter, the decrease in the linear attenuation and the decrease in the nonlinear parameters are observed with a less than one second time resolution. Roles of the temperature and the hygrometry of the ambient air in the characteristic relaxation times which are lasting several minutes are analyzed.

Cette thèse vise à développer une méthode pour la justification des fondations superficielles sous charge sismique dans le cadre du nouveau zonage sismique de la France, entré en vigueur en 2011 et des justifications post Fukushima. Elle s’inscrit dans le cadre d’un contrat de recherche entre l’IFSTTAR et EDF CEIDRE.Un modèle basé sur le concept de macroélément est développé pour étudier l’interaction sol-structure (ISS) en prenant en compte les différentes non linéarités. Sa formulation se base sur la théorie de l’élastoplasticité et s’inspire des normes en vigueur (Eurocodes 7 et 8) et. Les différents paramètres sont définis à partir d’essais au laboratoire ou in situ, ou à partir de simulations numériques en conditions statiques. Les coûts de calcul sont réduits du fait que les non linéarités liées à l’interaction sol-structure sont concentrés en des points particuliers du modèle de calcul. L’avantage du macroélément réside dans une formulation en efforts et déplacements, ce qui facilite son utilisation pour la justification des fondations (capacité portante, glissement, décollement, tassements, translations, distorsions et rotations).Le macroélément est implémenté dans le code par éléments finis CESAR LCPC et permet de simuler le comportement statique et sismique d’une fondation superficielle. Trois approches pour la modélisation de la radiation des ondes sismiques dans le sol sont comparées en considérant des chargements statiques et sismiques.Ensuite, des études paramétriques sont réalisées sur une structure en mettant en jeu plusieurs signaux réels. L’influence des différents paramètres de nocivité sur le comportement de la structure est étudiée.Le comportement statique et sismique d’un ouvrage réel est aussi analysé. Il s’agit d’un bâtiment fondé sur un radier reposant sur un sol stratifié. L’aléa sismique est défini par 5 accélérogrames d’accélération maximale égale à 0.4g. Des justifications normatives sont menées en se basant sur les résultats des différentes simulations réalisées / This PhD work concerns the elaboration of a method to verify the seismic sustainability of shallow foundations considering 2011 seismic zoning of France. It is a part of a research contract between EDF CEIDRE and IFSTTAR.To this end, a macroelement based model is developed in order to assess nonlinear soil structure interaction. The elastoplastic formulation of the macroelement constitutive model is compliant with the classical plasticity theory. The formulations for the plastic mechanisms are inspired from the applied standard (Eurocodes 7 & 8). The rate dependent response and the effects of the embedment and the soil inertia efforts are taken into account. The parameters for the constitutive model are defined from laboratory or field tests, or calibrated from static finite element method simulations. The calculation cost is significantly reduced due to the simplified modelling of the soil and its non linearities. Another advantage is that the macroelement based tool is formulated in terms of generalized variables (forces and displacements): this promotes its application in the verification of the sustainability of shallow foundations (bearing capacity, sliding, overturning, settlements, translations, rotations and distortions).The macroelement is implemented in the Finite Element software CESAR LCPC. It allows to simulate the static and the seismic behaviour of a shallow foundation. Three alternative approaches to assess SSI through this model are possible. These alternative approaches are explained and tested under static and seismic load.Then, it is used to perform parametric studies involving various input motions derived from earthquake recordings. The seismic response of a simple structure is studied with respect to the input motion key parameters.Finally, the static and seismic behaviour of a real structure is analysed. The structure is founded on a large raft foundation laying on a multi-layered soil. The seismic hazard is defined by five 0.4 g-PGA accelerograms. Verification to the applied standards is performed on the base of the simulation results, considering many features of the seismic behaviour

Ce travail réalisé au LAUM, concerne en premier lieu la caractérisation des distorsions, notamment non linéaires,observables sur des haut-parleurs en vue de les miniaturiser.En outre l’étude se rapporte au mode de contrôle de tels transducteurs au regard des avantages et des inconvénients présentés par l’électronique d’un pilotage en intensité.Après rappel des principales définitions permettant d’appréhender les mesures électroacoustiques, la structure et les propriétés des haut-parleurs font l’objet d’une première analyse, discutée dans le cadre des hypothèses de linéarité.Les exemples et les caractéristiques décrits en termes de fonctions de transfert sont présentés autour d’un transducteur générique de l’état de la technique. Les principes de la commande en courant sont ensuite présentés, compte tenu des caractéristiques globales des amplificateurs opérationnels de puissance disponibles actuellement. En maintenant l’intégrité de l’indice de contrôle en courant (Control Drive Index), la réjection du pic de résonance mécanique et des hautes fréquences sont discutés autour de structures de filtrages, soit incorporées à la boucle de feedback et adaptées au transducteur, soit disposées en feed forward. Au-delà de ces considérations de premier ordre les comportements non linéaires sont examinés. Après une analyse fondamentale se rapportant aux définitions et aux caractéristiques de non-linéarité, une évaluation analytique en régime mono fréquentiel est présentée, pour un transducteur commandé en courant. L’analyse est ensuite généralisée au moyen de modèles numériques originaux réalisés sous Simulink®, PSpice® et SLPS avec des sollicitations bitonales.Considérant divers dispositifs de l’état de la technique, des résultats conformes à ceux de la littérature récente et validés par l’expérience sont obtenus. Ainsi, les prototypes de micro haut-parleurs réalisés au laboratoire seront à court terme caractérisés avec plusieurs modes de conditionnement. / Undertaken with the LAUM, this work aims at first tocharacterize non linear distortions relative to electrodynamicloudspeakers with a view to miniaturizing units designed in thelaboratory. Furthermore, a special point about the advantages and drawbacks resulting from voltage or current driving has been investigated. After a brief review about the prominent definitions used in thefield of electro-acoustics, the main properties and specificitiesof transducers are discussed while considering at first linear devices. Considering a generic transducer of the state of theart, the main parameters are given in terms of transfer functions. Then, a current-driving policy is discussed whiletaking account of the actual power operational amplifier properties. Furthermore, the rejection of the mechanical resonance is investigated without any kind of alteration of theideal infinity of the Control Drive Index value. Specific filtering structures are calculated regarding a given transducer and considered either in feedforward or feedback arrangements within the circuitry. After such a first order analysis non linear behaviours areconsidered. At first a straightforward typology of non linearsystems is presented so as to highlight the most importantdefinitions. Then, a special analytical approach is given,allowing us to analyse the harmonic generation from a currentdriven loudspeaker with a mono frequency regime. Such anapproach is extended and generalized by way of original numerical models designed with Simulink®, PSpice® and SLPSsoftware, considering bi tonal stimuli signals. Then, such anapproach is considered with transducers and amplifiers of thestate of the art, allowing us to validate the whole relevantrationale. Thus, the micro speakers actually developed in thelaboratory should be investigated and optimized in the shortrun, considering their relevant electronic conditioning policy.

Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à une étude générale de la susceptibilité électromagnétique (EM) d'un transistor MOS (Metal Oxide Semiconductor) dans une gamme de fréquences allant de 10 MHz à 1 GHz. Ce composant est destiné à un usage général pour des applications analogiques et numériques. Le but principal de ce travail est d'apporter une compréhension fine des mécanismes physiques mis en jeu au sein du composant lorsque ce dernier est soumis à une agression EM injectée en mode conduit au niveau de sa grille. Notre étude porte sur l'élaboration d'un modèle physique, essentiellement basé sur les variations de charges au sein du composant électronique. Cette approche permet à la fois de comprendre le fonctionnement nominal du transistor et la modification de son comportement lors d'un dysfonctionnement. En effet, la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu est la base de la compréhension de la susceptibilité EM. Pour mettre en œuvre ce type d'approche, nous avons choisi d'étudier un type de susceptibilité correspondant à la modification de son point de fonctionnement sous agression EM. Cette modification du point de fonctionnement peut induire un dysfonctionnement du circuit dans lequel est implanté le transistor. Le phénomène physique à l'origine duquel les signaux parasites EM modifient le point de fonctionnement d'un composant électronique est le phénomène de redressement. Ce phénomène apparaît lorsqu'une distorsion est créée au sein du composant. C'est aussi pourquoi les non-linéarités du dispositif sont directement responsables de son observation. Ainsi, pour comprendre finement et physiquement l'effet induit par une agression EM, il est nécessaire de mettre en place une méthode d'étude. Celle-ci est basée sur une mesure des formes d'onde des courants à tous les accès du transistor. En effet, la visualisation de ces courants renseigne sur l'évolution des charges au sein de la structure. De plus, une telle mesure donne accès à une large palette d'observables (valeurs moyennes des courants, distorsions des courants, valeurs crêtes des courants, etc..). Dans un premier temps, les différentes mesures des formes d'onde des courants ont été réalisées lorsqu'une impulsion de tension était appliquée sur la grille du composant avec des temps de montée variables et choisis par rapport au temps de réponse du transistor. Cela nous a permis d'approfondir la compréhension du fonctionnement transitoire fort signal du MOSFET. Dans un second temps, nous avons mesuré les courants lors de l'application d'un signal EM à la grille du composant. En support à ces mesures nous avons utilisé deux outils de calcul : analytique et numérique. La méthode analytique permet la prédiction et l'identification des grandeurs du composant mises en jeu dans le mécanisme de la modification du comportement du transistor. La méthode numérique par simulation électrique permet, quant à elle, de prédire les effets de l'agression EM. Une étape de caractérisation statique et dynamique du composant a également été nécessaire pour enrichir la compréhension des phénomènes observés et fournir les entrées au modèle. / The research work presented here contributes to an overall study of the electromagnetic (EM) susceptibility of Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFET's), in a frequency range from 10 MHz to 1 GHz. This device is used for general purpose: analog and digital applications. The main aim of this study is to provide a detailed understanding of the physical mechanisms involved in the device when the Radio-Frequency (RF) interference is superimposed on the gate terminal. Our study focuses on the development of a physical model, based essentially on the charge variations within the electronic device. This approach allows to understand its behavior with and without the RF interference. Indeed, the knowledge of the involved physical mechanisms is the basic understanding of EM susceptibility. When RF interference is superimposed on the MOSFET terminals, various susceptibility effects take place depending on RF power level, frequency and the transistor operation region. Due to the nonlinearity of the MOS current-voltage characteristics, RF excitations cause distorted drain current waveform which leads to a bias point shift. This modification of the average drain current is called rectification effect. So we developed a method to clearly understand the effect induced by the EM interference. This method is based on the measurement of the currents waveforms to all of the transistor access. In fact, these currents waveforms measurements give us information on the charge variations within the electronic device. Moreover, such a measurement provides access to a wide range of current information (average values, distortion, peak values, etc.). Initially, the different currents waveforms measurements were made when a voltage ramp was applied to the device gate with variable rise time in respect to the transistor response time. This allowed us to understand the large signal transient response of the MOSFET. Secondly, we measured the currents waveforms when an EM interference was injected to the gate terminal. In support of these measurements we used two computation tools: analytical and numerical. The analytical method allows prediction and identification of the quantities of the device involved in the modification of transistor's behavior. The numerical method allows electrical simulation to predict the effects of EM aggression. A static and dynamic characterization of the component was also necessary to understand the observed phenomenon and provide data to the electrical model.

Un enjeu majeur des modèles océaniques est de représenter fidèlement les circulations méso- et subméso-échelles afin de simuler leur importante contribution dans la circulation générale et dans le budget énergétique de l'océan. La poursuite de cet objectif se traduit par une augmentation de la résolution spatiale et temporelle à la fois des modèles et des réseaux d'observation de l'océan. Cependant, à ces petites échelles, la dynamique de l'écoulement revêt un caractère fortement turbulent ou non-linéaire. Dans ce contexte, les méthodes actuelles d'assimilation de données (AD), variationnelles en particulier, sont généralement moins performantes que dans un contexte (quasi-) linéaire.L'objectif de cette thèse est d'explorer sous divers aspects le comportement des méthodes variationnelles d'AD dans un modèle d'océan non-linéaire. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences dites "jumelles" en assimilant des données altimétriques simulées suivant les caractéristiques des satellites altimétriques Jason-1 et SARAL/AltiKA . À l'aide de ces expériences, nous analysons sous différents angles les problématiques posées par les non-linéarités à l'AD. Enfin, nous ouvrons plusieurs pistes d'amélioration de l'efficacité du système d'AD dans ce contexte.Ce travail est basé sur le logiciel de modélisation océanique NEMO, incluant la configuration de bassin océanique turbulent idéalisé SEABASS, à différentes résolutions spatiales. Dans la continuité de la plateforme de recherche en AD avec NEMO, NEMO-ASSIM, nous avons utilisé et contribué au développement de cet ensemble d'outil, comprenant, entre autre, opérateur d'observation, modèles linéaire tangent et adjoint de NEMO, permettant de mener à bien notre étude. Le système d'AD variationnelle utilisé est le logiciel NEMOVAR.Les résultats présentés tentent de lier les échelles caractéristiques des structures d'erreurs d'analyse et l'activité aux petites échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une large gamme de diagnostics, e.g. erreur quadratique moyenne spatiale et temporelle, caractéristiques des fonctions coûts, caractérisation de l'hypothèse linéaire tangente, PSD des champs d'erreurs d'analyse.Nos expériences montrent que le 4DVAR incrémental contrôle efficacement la trajectoire analysée au 1/4° pour de longues fenêtres d'AD (2 mois). Lorsque la résolution augmente, la convergence de l'algorithme apparaît plus lente voire inexistante sous certaines conditions. Cependant, l'algorithme permet encore de réduire convenablement l'erreur d'analyse. Enfin, l'algorithme 3DFGAT se révèle beaucoup moins performant, quelle que soit la résolution.De plus, nous montrons également l'importance de l'adéquation entre la circulation simulée et l'échantillonnage altimétrique, en terme d'échelles spatiales représentées, pour obtenir de meilleures performances. Enfin, nous avons exploré la stratégie de minimisation dite "progressive", permettant d'accélérer la convergence du 4DVAR à haute résolution. / A current stake for numerical ocean models is to adequately represent meso- and small-scale activity, in order to simulate its crucial role in the general ocean circulation and energy budget. It is therefore also a challenge for data assimilation (DA) methods to control these scales. However this small-scale activity is strongly linked to the nonlinear or turbulent character of the flow, whereas DA methods are generally much less efficient in such contexts than in (almost) linear ones. For variational DA methods as incremental 4DVAR, non-linearities imply convergence difficulty, the cost functions to be minimised presenting multiple local minima.The purpose of this thesis is to address this problem specifically, by exploring the behaviour of variational DA methods in a non-linear ocean model. To achieve this objective, a series of "twin" experiments assimilating simulated altimeter data, following the characteristics of altimetric satellite Jason-1 and SARAL/AltiKA, are analyzed. We also find different ways to improve efficiency of variational algorithms applied to turbulent circulations.This work is based on oceanic modelisation software called NEMO, including a idealized turbulent oceanic basin configuration, SEABASS, and DA components (e.g. Observation operator, Linear Tangent and Adjoint Models). Thanks to NEMO-ASSIM research platform, we have used and developed this set of tools. The used variational DA system itself is NEMOVAR.We present results characterizing scales and structures of the analysis error along the assimilation process, as well as tentative links with small scale activity. To study both the algorithm convergence and the analysis and forecast errors in a qualitative and quantitative way, a large spectrum of systematic diagnostics has been employed, e.g. spatial and temporal RMSE, cost function characteristics, projection of error fields on EOFs, validity of the tangent linear hypothesis, PSD of error fields.In our experiments, it appears that the incremental 4DVAR algorithm proved to be quite robust for long DA windows at eddy-permitting resolution.When the model horizontal resolution increases, the convergence of the minimisation algorithm is poorer but the 4DVAR method still controls efficiently analysis error.It has also been shown that the 4DVAR algorithm is clearly more performant than 3DFGAT for both considered resolutions.Moreover we investigate some strategies for DA in such nonlinear contexts, with the aim of reducing the analysis error. We performed so-called progressive incremental 4DVAR to improve the algorithm convergence for longer assimilation windows. Finally, we show that the adequation in represented flow scales between the model and the altimetric sampling is crucial to obtain the best error analysis reduction.

Les microsystèmes sont des systèmes dynamiques multi-physiques. Leurs caractéristiques spécifiques, liées à leur petite dimension et aux phénomènes associés, nécessitent des études approfondies. Les méthodologies de l'automatique peuvent apporter des solutions nouvelles pour l'optimisation de ces systèmes. Dans ce contexte, ce travail de recherche s'intéresse plus particulièrement aux nonlinéarités dans les microsystèmes capteurs. La première partie de cette thèse est consacrée à la conception d'un micro-accéléromètre asservi à sortie numérique. L'objectif principal de l'asservissement est l'amélioration de la linéarité de la mesure. L'étude s'attache à la modélisation du comportement dynamique du capteur en prenant en compte l'effet des non-linéarités (lecture capacitive et actionnement électrostatique) et à l'analyse des performances globales de la mesure (aspect dynamique, transfert de bruit et non-linéarité). Le circuit réalisant l'asservissement est conçu de manière à permettre l'utilisation d'outils de l'automatique avancée : l'identification pour la commande et la synthèse robuste de correcteur. L'architecture présentée est validée en simulation et sur un d´emonstrateur. Dans une deuxième partie, ce travail de recherche propose d'exploiter la non-linéarité dite de Duffing afin de réaliser un principe de détection original. Cette non-linéarité d'origine mécanique est fréquemment rencontrée dans les microsystèmes. Les résultats présentés ouvrent des perspectives nouvelles pour l'utilisation de structures mécaniques de dimensions nanométriques.

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.