La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l'environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d'un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée.

La fatigue est un phénomène bien connu dans le monde du sport provoquant une chute des performances et une augmentation du risque de blessures. La communauté scientifique s’intéresse donc à la quantification de ce phénomène au moyen de différents outils d’analyse du mouvement. Cependant certains sports comme la course à pied soumettent les athlètes à des sollicitations mécaniques violentes impactant fortement sur leur santé et leurs performances. Ces sollicitations se traduisent souvent par des chocs importants, un nombre de cycles élevé et sont accompagnées de postures complexes du corps. Les outils d’analyse du mouvement ne sont alors pas toujours adaptés pour la mesures de ces données ni à l’étude du mouvement de l’athlète dans des conditions réelles de pratique. L’accélération apparait alors comme une caractéristique riche en informations. Elle peut permettre de mesurer et d’analyser la pratique de la course à pied afin de quantifier la dérive de la réponse mécanique du corps humain. Par la validation d’outils issus de l’accélérométrie, ces travaux de thèse permettront d’étudier les phénomènes mécaniques intervenant durant la pratique de la course à pied afin de quantifier et prédire leurs effets sur les phénomènes de fatigue des athlètes. / Fatigue is a well known phenomenon in the sports world causing a decrease of performance and an increase of injury risk. The scientific community is therefore concerned with the quantification of this phenomenon using different motion analysis tools. However some sports like running inflict violent mechanical loads to the athletes strongly impacting their health and performance. These loads frequently result in significant shocks, a high number of cycles and are accompanied by complex postures of the body. The motion analysis tools are then not always suitable for the measurement of this information or to study the athlete’s movement in real conditions of practice. The acceleration then appears as a feature rich in information.It can allow to measure and analyze the practice of running in order to quantify the drift of the mechanical response of the human body. By validating accelerometric tools, these thesis works will allow to study the mechanical phenomena intervening in the practice of running in order to quantify and predict their effects on the athlete’s fatigue.

Cette thèse a pour objectif l’étude du comportement vibratoire des suspensions à joint de ferrofluide utilisées dans un nouveau type de haut-parleur. Le moteur de ce haut-parleur, conçu pour réduire les non-linéarités d’origine magnétique, permet l’utilisation de joints de ferrofluide comme alternative aux suspensions viscoélastiques traditionnelles : sous la forme de deux joints annulaires, ils réalisent la liaison entre la partie fixe et la partie mobile du système. L’originalité du travail présenté a trait aux forts niveaux du champ magnétique présent dans le haut-parleur et à la caractérisation en dynamique des joints en terme de masse, raideur et amortissement. La première partie est une analyse expérimentale de la raideur radiale statique d’un joint au sein d’un moteur magnétique. La connaissance de cette raideur est nécessaire pour dimensionner le guidage de l’équipage mobile. Elle est étudiée en fonction du volume et de la saturation magnétique du ferrofluide. Les résultats sont en bon accord avec les simulations. Dans une deuxième partie, nous présentons une étude expérimentale sur le comportement visqueux des ferrofluides en condition de cisaillement oscillatoire et sous champ magnétique homogène et stationnaire. Cette étude s’élargie dans la suite aux conditions magnétiques du moteur, où le champ n’est plus homogène. Les propriétés sont étudiées en fonction du volume, de la viscosité et de la saturation magnétique. Un modèle pour les pertes du haut-parleur est proposé en fonction des propriétés magnétovisqueuses du ferrofluide. / The aim of this thesis is the study of the vibratory behavior of ferrofluid seals suspensions used in a new type of loudspeaker. The motor of this loudspeaker has been designed to reduce magnetic nonlinearities and allows ferrofluid seals, as two annular seals, to be used as an alternative to classical viscoelastic suspensions. Seals serve as a link between mobile to fixed part of the system. The originality of this configuration is the presence of high level magnetic field in the loudspeaker, which require a dynamic characterization of seals in term of mass, stiffness and damping. First part of this thesis is an experimental analysis of static radial stiffness of one seal inside a magnetic engine. This parameter is necessary for centering the moving part. The influence of the volume and saturation magnetization of the ferrofluid are analyzed. There is a good agreement between experimental results and simulations. In the second part, an experimental study of the viscous ferrofluid behavior under an oscillatory shear excitation and homogeneous and stationary magnetic field is presented. It is then broaden to real non homogeneous loudspeaker motor conditions. The influence of ferrofluid seals volume, viscosity and saturation magnetization are analyzed. A model which depends on the magnetoviscous properties of the ferrofluid is suggested for the loudspeaker internal losses.

Ce travail a pour but de proposer une technique de mesure permettant d’identifier les bas nombres d’onde de pressions pariétales dues à des écoulements turbulents à faible nombre de Mach. En effet, les caractéristiques de ces excitations vibroacoustiques dans ces nombres d’onde sont mal connues alors qu’ils peuvent être des sources principales de vibration et de rayonnement acoustique dans des problèmes d’ingénierie qui concernent essentiellement le secteur industriel des transports. Cette méconnaissance vient du fait que la composante acoustique de l’excitation qui est située dans les bas nombre d’onde,a une amplitude très petite devant celle de la composante aérodynamique et que l’énergie d’origine acoustique se trouve noyée dans le bruit de mesure lorsqu’on utilise des capteurs de pression.L’objectif de cette thèse est d’étudier comment la méthode inverse vibratoire de Résolution Inverse (RI) et ses variantes RIFF (Filtrée Fenêtrée) ou RIC (Corrigée)permettent d’identifier ces bas nombres d’onde. L’intérêt d’utiliser de telles méthodes inverses vibratoires est que la structure est utilisée comme capteur. Ainsi, les composantes responsables des vibrations, se situant dans les bas nombres d’onde, peuvent être mieux identifiées ou extraites puisqu’elles sont naturellement filtrées par la dynamique de la structure.Dans un premier temps, la méthode RIFF est testée dans le cas de simulations d’une couche limite turbulente. Les résultats obtenus permettent de comprendre comment cette méthode identifie l’excitation dans les bas nombres d’onde. La méthode peut ainsi paraître particulièrement intéressante, puisqu’elle permet d’extraire une composante très faible, mais fortement responsable des vibrations et du bruit rayonné par la plaque et pratiquement impossible à observer en utilisant des microphones affleurants.Dans un deuxième temps, la mise en oeuvre de ces techniques est étudiée en appliquant la méthode RIC. Cette approche permet de diminuer drastiquement le nombre de capteurs et de rendre la méthode inverse utilisable avec les moyens actuels. La méthode est ainsi testée sur la simulation d’une couche limite turbulente et sur une expérimentation en soufflerie où l’écoulement turbulent est généré par une marche montante. La proposition d’un indicateur permet alors d’identifier si les composantes acoustiques et aérodynamiques sont fortement séparées et si les résultats obtenus par la méthode RIC correspondent uniquement à la composante acoustique ou non. / The aim of this work is to propose a measurement technique for the identification of the low wavenumbers of wall pressures due to turbulent flows with low Mach number. Indeed, the characteristics of these vibroacoustic excitations in these wavenumbers are not well known whereas they can be the principal sources of vibration and acoustic radiation in a lot of engineering problems in the transport industries. This lack of knowledge is due to the low amplitude of the acoustic component of the excitation that is localized in the low wavenumbers and the acoustic energy is below the level of measurement noise when pressure sensors are used.This thesis aims to study how the inverse methods of vibration called the Force AnalysisTechnique (FAT) and its Corrected version CFAT identify these low wavenumbers.The advantage of using these inverse methods of vibration is that the structure is used as a sensor. Thus, the components responsible for the vibrations, and localized in the low wavenumbers, can be identified and extracted as they are naturally filtered by the dynamics of the structure.At first, the FAT method is tested in a simulation of a turbulent boundary layer.The results are used to demonstrate how this method identifies the excitation in the low wavenumbers. The method can appear particularly interesting, since it allows to extract a very small component that is highly responsible for vibration and noise radiated by the plate and that is impossible to measure using flush-mounted sensors like microphones.In a second study, the implementation of these techniques is studied by applying the CFAT method. This approach allows to drastically reduce the number of sensors and make the inverse method usable with existing techniques of measurement. The method is tested on the simulation of a turbulent boundary layer and on an experimentation in a wind tunnel where a turbulent flow is generated by a forward-facing step. A new indicator is introduced and identifies if the acoustic and aerodynamic components arestrongly separated and if the results obtained by the CFAT method correspond only to the acoustic component or not.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'influence des micro-perforations sur la réponse vibratoire d'une structure cellulaire de type panneau sandwich NIDA (nid d'abeille). Les réflecteurs d'antenne de satellites placés sur les satellites de télécommunication, comme beaucoup d'autres éléments, sont fabriqués avec ce type de matériaux. Lors du décollage du lanceur pour la mise en orbite du satellite, les sollicitations mécaniques appliquées au système sont de nature acoustique et solidienne. La sollicitation acoustique liée au champ acoustique diffus et de très fort niveau présent dans la coiffe du lanceur est la plus importante. Elle joue un rôle important dans le dimensionnement et la conception du réflecteur d'antenne. L'enjeu de la thèse est d'évaluer le potentiel d'un traitement de ce panneau par micro-perforations pour en réduire les vibrations. L'effet des micro-perforations sur la réponse vibratoire du réflecteur d'antenne est double. D'une part, le chargement acoustique que constitue la pression excitatrice est réduit par un mécanisme d'absorption du à la présence des micro-perforations, couplées aux cavités formées par les cellules NIDA du matériau. Cet effet, connu dans la littérature est décrit notamment par le modèle d'impédance acoustique de D.-Y. Maa, couplé à un modèle d'impédance de la cavité NIDA et prenant en compte les rayonnements interne et externe à la micro-perforation. D'autre part, un effet, de nature vibro-acoustique est induit par le couplage entre les vibrations du panneau et les mouvements acoustiques dans les micro-perforations. La modélisation de cet effet, mal décrit dans la littérature constitue un élément original du travail : un modèle discret construit à partir de l'impédance acoustique d'un orifice permet le calcul d'une force d'amortissement élémentaire, puis, après homogénéisation, à une estimation de l'amortissement modal du panneau micro-perforé. Les modélisations proposées pour la réduction de chargement acoustique et de l'amortissement ajouté par micro-perforation montrent que la réponse vibratoire du panneau est faiblement réduite dans la plage de fréquence d'intérêt, ce que confirment plusieurs tests expérimentaux : comparaison de réponse de panneau micro-perforé ou non en chambre réverbérante et en chambre à bruit. La modification de chargement acoustique apportée par la micro-perforation des deux faces du panneau sandwich NIDA est modélisée dans le dernier chapitre et donne lieu à une augmentation de l'effet dans la gamme de fréquence visée. / This thesis work is about the study of the microperforations influence on the vibratory response of a cellular structure as a honeycomb sandwich panel. Satellites' antenna's reflectors placed on telecommunication satellites, as many satellites' elements, are manufactured in this kind of materials. During the launcher take-off for putting satellite into orbit, the mechanical stresses applied to the system are acoustical and vibration borne stress. The acoustic stress, linked to the high level diffuse acoustic field inside the launcher fairing is the most important. It plays a part in the antenna's reflector size and conception. The issue of the thesis is to evaluate the potential of a treatment using microperforations on this panel in order to reduce its vibration. The microperforations effect on the vibration response of the antenna's reflector is double. On one hand, the acoustic loading applied by the exciter pressure is reduced by an absorption mechanism due to the presence of microperforations, coupled to cavities formed by honeycomb cells. This effect, well known in the litterature, is for instance described by the acoustic impedance model developped by D.-Y. Maa, coupled to an impedance model of honeycomb cavity and taking into account the inner and outer radiations of the microperforation. On the other hand, a vibro-acoustical effect is induced by the coupling between panel vibrations and acoustic movements inside microperforations. The modelling of this effect, not well described in the litterature, constitutes an original element of the thesis work: a discrete model constructed using the acoustic impedance of an orifice, allows the computation of an elementary damping force and then leads, after an homogenisation, to an estimation of the modal damping of the microperforated panel. Both modellings proposed for the acoustic loading reduction and the damping added by microperforations, show that the panel vibration response is weakly reduced in the frequency band of interest, which confirms experimental tests like: response comparison of non microperforated and microperforated panels placed in reverberant room and noise chamber. The acoustic loading modification induced by the microperforation of both sides of the honeycomb sandwich panel is modelling in the thesis last chapter and allows an increase of the effect on the frequency band aimed.

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l’environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d’un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée. / Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 $\mu$W of net electrical power has been harvested.

Les vibrations ambiantes representent une source potentielle d'energie pour alimentation des capteurs sans fil autonomes. La transduction electrostatique est une des techniques utilisees pour la conversion de l'energie des vibrations en electricite. De nombreuses realisations des transducteurs et leurs circuits de conditionnement ont deja ete presentees dans la litterature. Pour transmettre l'energie convertie vers une charge utile des interfaces specifiques doivent etre concues. Ce dernier sujet a ete peu aborde dans la litterature. Ce travail etudie une interface avec la charge dans un dispositif de recuperation d'energie vibratoire. L'architecture proposee au cours de cette etude est adaptee aux circuits de conditionnement de type pompe de charge, qui fonctionne selon un cycle charge-tension rectangulaire. L'interface proposee accomplit deux taches. Premierement, il permet de transferer l'energie electrique du circuit de conditionnement vers une charge tout en abaissant la tension d'une maniere adiabatique, c.a.d., en minimisant les dissipations. Deuxiemement, il permet de reguler le debit d'extraction d'energie du circuit de conditionnement en ajustant dynamiquement la puissance de ce transfert. Cela est realise avec un circuit integree en technologie 0.35um CMOS haute tension dont l'architecture est inspiree d'un convertisseur DCDC de type Buck fonctionnant en regime discontinu. La consommation de l'interface est minimisee grace a l'utilisation du regime sous le seuil des transistors MOS pour pratiquement tous les blocs, grace a une alimentation reduite a 1.1V. L'interface consomme en dessous de 100nW, et est capable de gerer des sources d'energie a puissance < 1uW. / Vibrational energy is an attractive power source for self-powered wireless sensors. A mainstream harvesting technique for vibrational energy is electrostatic MEMS harvesters. Various circuit architectures have already been introduced with many successful implementation, yet a load interface that efficiently manages the harvested energy has rarely been reported. In this work a load interface is proposed which is suited for any condition circuit (CC) implementing rectangular QV cycles. In general, a rectangular QV conditioning circuit has an optimum interval of which the energy harvested is maximised, thus the harvested energy should be periodically removed to maintain maximising the harvested energy. This is achieved through the load interface (LI). The LI proposed is a switched inductor capacitive architecture with a LI controller allowing the extraction of the energy in a multiple energy shot fashion. The LI controller incorporate an ultra low power clock for switching events and low power comparator for switching decision. Power consumption is reduced by operating at a low supply voltage (1.1V). The LI is implemented in AMS0.35HV technology with a mixed high voltage-low power control blocks. It takes into account the harvester operation to maximise its extracted energy. It overcomes the constrained limited biasing power, tackles resistive losses and power handling transistor long channels by transferring the energy in a multiple shots fashion. A CMOS implementation is proposed along with simulation results showing an average consumed power of the controller less than 100nW allowing the system to operate with input power levels as low as few hundreds of nano-watts.

Dans les dernières décennies, la surveillance vibratoire des machines tournantes a acquis un intérêt particulier fournissant une aide efficace pour la maintenance dans l'industrie. Aujourd'hui, de nombreuses techniques efficaces sont bien établies, ancrées sur des outils puissants offerts notamment par la théorie des processus cyclostationnaires. Cependant, toutes ces techniques reposent sur l'hypothèse d’un régime de fonctionnement (c.à.d. vitesse et/ou charge) constant ou éventuellement fluctuant d’une façon stationnaire. Malheureusement, la plupart des machines surveillées dans l'industrie opèrent sous des régimes non stationnaires afin de remplir les tâches pour lesquelles elles ont été conçues. Dans ce cas, ces techniques ne parviennent pas à analyser les signaux vibratoires produits. Ce problème a occupé la communauté scientifique dans la dernière décennie et des techniques sophistiquées de traitement du signal ont été conçues pour faire face à la variabilité du régime. Mais ces tentatives restent limitées, dispersées et généralement peu soutenues par un cadre théorique. Le principal objectif de cette thèse est de combler partiellement cette lacune sur la base d'une formalisation théorique du sujet et d’un développement systématique de nouveaux outils de traitement du signal. Dans ce travail, la non-stationnarité du régime est limitée à celle de la vitesse— c.à.d. vitesse variable et charge constante— supposée connue a priori. Afin d'atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée consiste à étendre le cadre cyclostationnaire avec ses outils dédiés. Nous avons élaboré cette stratégie en distinguant deux types de signatures. Le premier type comprend des signaux déterministes connus comme cyclostationnaires au premier ordre. La solution proposée consiste à généraliser la classe cyclostationnaire au premier ordre à la classe cyclo-non-stationnaire au premier ordre qui comprend des signaux déterministes en vitesse variable. Le second type comprend des signaux aléatoires périodiquement corrélés connus comme cyclostationnaires au deuxième ordre. Trois visions différentes mais complémentaires ont été proposées pour traiter les variations induites par la non-stationnarité de la vitesse de fonctionnement. La première adopte une approche cyclostationnaire angle\temps, la seconde une solution basée sur l'enveloppe et la troisième une approche cyclo-non-stationnaire (au second ordre). De nombreux outils ont été conçus dont les performances ont été testées avec succès sur des signaux vibratoires réels et simulés. / In the last decades, vibration-based condition monitoring of rotating machine has gained special interest providing an efficient aid for maintenance in the industry. Nowadays, many efficient techniques are well-established, rooted on powerful tools offered in particular by the theory of cyclostationary processes. However, all these techniques rely on the assump-tion of constant— or possibly fluctuating but stationary— operating regime (i.e. speed and/or load). Unfortunately, most monitored machines used in the industry operate under nonstationary regimes in order to fulfill the task for which they have been designed. In this case, these techniques fail in analyzing the produced vibration signals. This issue, therefore, has occupied the scientific committee in the last decade and some sophisticated signal processing techniques have been conceived to deal with regime variability. But these works remain limited, dispersed and generally not supported by theoretical frameworks. The principal goal of this thesis is to partially fill in this gap on the basis of a theoretical formalization of the subject and a systematic development of new dedicated signal processing tools. In this work, the nonstationarity of the regime is confined to that of the speed— i.e. variable speed and constant load, assumed to be known a priori. In order to reach this goal, the adopted methodology consists in extending the cyclostationary framework together with its dedicated tools. We have elaborated this strategy by distinguishing two types of signatures. The first type includes deterministic waveforms known as first-order cyclostationary. The proposed solution consists in generalizing the first-order cyclostationary class to the more general first-order cyclo-non-stationary class which enfolds speed-varying deterministic signals. The second type includes random periodically-correlated waveforms known as second-order cyclostationary. Three different but complementary visions have been proposed to deal with the changes induced by the nonstationarity of the operating speed. The first one adopts an angle\time cyclostationary approach, the second one adopts an envelope-based solution and the third one adopts a (second-order) cyclo-non-stationary approach. Many tools have been conceived whose performances have been successfully tested on simulated and real vibration signals.

L’étude des structures raidies est un sujet de recherche récurrent. En effet, celles-ci sont présentes dans de nombreuses applications industrielles. Leur utilisation offre de nombreux avantages notamment du point de vue de l’allègement, critère qui est particulièrement important dans l’industrie automobile par exemple. Dans un tout autre domaine, la table d’harmonie de piano constitue un exemple typique de ces structures raidies et les problèmes relevés par les professionnels du domaine sont nombreux. Aujourd’hui, les ressources numériques permettent de prendre en compte de nombreux phénomènes dans les modèles développés avec pour conséquence, une difficulté d’interprétation entre les données d’entrée et de sortie. En considérant moins de paramètres à la fois, les modèles simplifiés présentent alors l’avantage de pouvoir en séparer la participation dans le rendu global. En prenant comme point de départ une plaque simplement supportée rectangulaire orthotrope dite « spéciale » dans laquelle la table est inscrite, la forme de la table d’harmonie est recréée par ajout d’une densité de ressorts ponctuels dans le domaine complémentaire. Par couplage avec des superstructures collées sur chaque face, il est possible de déterminer le comportement vibratoire de l’instrument ainsi que le rayonnement acoustique à partir des impédances de rayonnement d’une plaque simplement supportée bafflée. Ce modèle analytique est par la suite couplé à une corde et résolu dans le domaine temporel et présente alors l’avantage de pouvoir évaluer perceptivement l’impact de modifications structurelles. L’originalité d’un tel calcul tient dans le fait que des forces d’interactions assurent la continuité entre les soussystèmes et deviennent des inconnues du problème, comme dans les problèmes de contacts ou de frottements. Enfin, la prise en compte des petites non-linéarités géométriques de la corde sera faite en les considérant comme des seconds membres des équations du mouvement, ce qui permet de conserver la notion de modeslinéaires / Ribbed structures are a current subject of study and they are often used in many industrial domain. Indeed, there use offers some advantages as for example in automotive domain to reduce the weight of vehicule that is an important actual constrain. In the musical domain ribbed structures are also often used and musical instruments mixed structural, perceptive and subjective considerations. In that domain, one of the main difficulties is to translate the language between the science and the music and to make equivalence between phenomena describe by the musicians and scientific indicators. The piano soundboard is a typical example of these ribbed structures and difficulties reported by piano makers are many. Nowadays, numerical computing resources allow to take into account some phenomena in modeling but as a consequence, it appears a “black box effect” between input and output data. Taking into account less parameters, reduced models offer the advantage to separate the influence of each parameter in the final result. Taking into account as starting point a simply supported rectangular plate with special orthotropy, the edges of the soundboard are described by an addition of punctual springs in the fictive domain. Coupling to it some stiffeners on the both faces, it is possible to calculate the vibratory behavior of the instrument such as the acoustic radiation through the acoustical radiation impedances of the baffled simply supported plate. This simplified analytical modeling is representative of phenomena found in the literature and is also well adapted to parametrical studies. So, it highlights the space localizations of vibration, due to the conception of the instrument, and allows studying the influence of structural parameters on the mobility along the bridge, the acoustical radiated power for example. In order to qualify, with a reduced computing cost, the influence of structural parameters on the perceived sound, this analytical model for ribbed structure is coupled to a string and solved in time domain.

Bien que le diagnostic des roulements par analyse vibratoire soit un domaine très développé, la recherche sur les représentations parcimonieuses des signaux de vibration est encore nouvelle et difficile pour le diagnostic des machines tournantes. Dans cette thèse, de méthodes nouvelles ont été développées, au moyen de différents modèles stochastiques, associées à des algorithmes efficaces afin de servir l’industrie dans le diagnostic des roulements. Tout d’abord, les modèles parcimonieux présentés dans la littérature sont revus. Les principales publications concernant le diagnostic des machines tournantes ont également été considérées. Enfin, en discutant des avantages et des inconvénients des représentations parcimonieuses, une interprétation des structures creuses d’un point de vue Bayésien est proposée, ce qui donne lieu à deux nouveaux modèles de diagnostic des machines tournantes. Dans un second temps, un nouveau modèle stochastique est proposé : il introduit une variable cachée relative à l’apparition d’impacts et estime le contenu spectral des transitoires correspondants ainsi que le spectre du bruit de fond. Cela donne lieu à un algorithme de détection automatique - sans besoin de pré-filtrage manuel - à partir duquel les fréquences de défaut peuvent être révélées. Le même algorithme permet également de filtrer le signal de défaut de manière très efficace par rapport à d’autres approches basées sur l’hypothèse stationnaire. La performance de l’algorithme est étudiée sur des signaux synthétiques. L’efficacité et la robustesse de la méthode sont également vérifiées sur les signaux de vibration mesurés sur un banc d’essai (engrenages et paliers). Les résultats sont meilleurs ou au moins équivalents à ceux de l’analyse d’enveloppes classique et du kurtogramme rapide. Dans un troisième temps, un nouveau schéma pour l’extraction de signaux cyclostationnaires (CS) est proposé. En considérant la variance périodique en tant que variable cachée, un filtre temporel est conçu de manière à obtenir la reconstruction intégrale des signaux CS caractérisés par une fréquence cyclique préétablie, qui peut être connue à priori ou estimée à partir de la corrélation spectrale. Un intérêt particulier de la méthode est sa robustesse lorsqu’elle est appliquée sur des données expérimentales ainsi qu’une capacité d’extraction supérieure par rapport au filtre de Wiener conventionnel. Finalement, ces exemples expérimentaux témoignent de l’utilisation polyvalente de la méthode à des fins de diagnostic de signaux composés. Pour finir, une analyse comparée utilisant le calcul rapide de la corrélation spectrale est réalisée sur une base de données publiquement disponible et largement utilisée. C’est un point crucial qui fixe un défis non-trivial à résoudre. / Although vibration-based rolling element bearing diagnostics is a very well-developed field, the research on sparse representations of vibration signals is yet new and challenging for machine diagnosis. In this thesis, several novel methods have been developed, by means of different stochastic models, associated with their effective algorithms so as to serve the industry in rolling element bearing diagnostics. First, the sparsity-based model (sparse code, in natural image processing) is investigated based on the current literature. The historical background of sparse representations has been inquired in the field of natural scenes. Along three aspects, its mathematical model with corresponding algorithms has been categorized and presented as a fundamental premise; the main publications are therefore surveyed in the literature on machinery fault diagnosis; finally, an interpretation of sparse structure in the Bayesian viewpoint is proposed which then gives rise to two novel models for machinery fault diagnosis. Second, a new stochastic model is introduced to address this issue: it introduces a hidden variable to indicate the occurrence of the impacts and estimates the spectral content of the corresponding transients together with the spectrum of background noise. This gives rise to an automatic detection algorithm – with no need of manual prefiltering as is the case with the envelope spectrum – from which fault frequencies can be revealed. The same algorithm also makes possible to filter out the fault signal in a very efficient way as compared to other approaches based on the stationary assumption. The performance is investigated on synthetic signals with a high noise-to-signal ratio and also in the case of a mixture of two independent transients. The effectiveness and robustness of the method are also verified on vibration signals measured on a test-bench (gears and bearings). Results are found superior or at least equivalent to those of conventional envelope analysis and fast kurtogram. Third, a novel scheme for extracting cyclostationary (CS) signals is proposed. By regularizing the periodic variance as hidden variables, a time-varying filter is designed so as to achieve the full-band reconstruction of CS signals characterized by some pre-set characteristic frequency. Of particular interest is the robustness on experimental data sets and superior extraction capability over the conventional Wiener filter. It not only deals with the bearing fault at an incipient stage, but it even works for the installation problem and the case of two sources, i.e. bearing and gear faults together. Eventually, these experimental examples evidence its versatile usage on diagnostic analysis of compound signals. Fourth, a benchmark analysis by using the fast computation of the spectral correlation is provided. One crucial point is to move forward the benchmark study of the CWRU data set by uncovering its own unique characteristics.