Nous allons tout d'abord situer le cadre de ce travail de recherche après avoir énoncé les motivations qui ont conduit à sa création au sein du contrat européen MADAVIC.

L'intérêt pour la communauté européenne de soutenir la création de contrats européens est brièvement souligné. Les différents partenaires impliqués dans ce projet seront alors présentés ainsi que les différentes tâches réalisées, en insistant plus particulièrement sur le rôle du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (LEG). Enfin, le déroulement et l'organisation de ce type de contrat réunissant des chercheurs et des industriels de tous les pays de l'Europe est décrit.

Nous nous attardons ensuite sur la description des différents pots vibrants existant sur le marché dont les caractéristiques sont proches des actionneurs magnétostrictifs. Enfin, nous terminons par une présentation des applications industrielles qui ont été mises en œuvre dans le contrat MADAVIC : la détection de défauts dans les structures et le contrôle actif des vibrations.

1. Le contrat européen MADAVIC

Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre d'un contrat de recherche appelé MADAVIC ^[1,Lecce] pour " Magnetostrictive Actuators for Damage Analysis and VIbration Control " (BRITE EURAM III, Contract N°BRPR-CT95-0026) dont le financement a été assuré par la Communauté Européenne. Pour répondre à la demande industrielle européenne et grâce à l'émergence de matériaux dit intelligents, des universitaires et des industriels se sont réunis autour de ce contrat MADAVIC afin de développer de nouveaux actionneurs de petites tailles ayant des propriétés complémentaires aux actionneurs existant.

1. Le but

• La détection et l'identification de défauts dans les structures
• Le contrôle actif des vibrations

1. Définition du cahier des charges des actionneurs
2. Choix du matériau magnétostrictif
3. Modélisation et conception
4. Réalisation des prototypes d'actionneurs légers
5. Réalisation des prototypes d'actionneurs lourds
6. Réalisation de l'électronique de contrôle
7. Application au contrôle actif des vibrations et à la détection de défauts dans les structures

Figure -1 : Interdépendance des différentes tâches du projet La Figure I-1 représente les relations nécessaires entre les différentes tâches principales. Celles-ci sont subdivisées en sous tâches ou objectifs plus précis.

Un des buts avoués des contrats européens est de permettre la rencontre des entreprises et des universités européennes afin de réunir les compétences et d'optimiser les efforts de recherche et de développement en créant des pôles européens de compétence dans des domaines précis. Les nouvelles technologies de pointe nécessitent des spécialistes dans des domaines de plus en plus pointus et un contrat de ce type permet de réunir les compétences indispensables à la réalisation de tels projets. Les industries européennes peuvent ainsi innover en tirant profits des dernières avancées technologiques. Ainsi, elles se positionneront mieux face à la concurrence du marché international.

1. Les partenaires

Les partenaires sont originaires de six pays différents : Allemagne, Angleterre, France, Italie, Irlande, Suède. Monsieur le Professeur Leonardo LECCE en tant que coordinateur, a dirigé tout au long de ces trois ans, le contrat européen. Le contrat regroupe cinq industriels et sept laboratoires universitaires (cf Tableau I-1). Chacun apportant ses compétences pour mener à bien le projet.

ORGANISATION	PAYS	RESPONSABLE	IMPLIQUE DANS LES TÂCHES
Universitaires :
UNI-Pa D.P.A.	Italie	Pr. Leonardo LECCE	1*,6,7
KTH	Suède	Dr. Göran ENGDAHL	2,3*,4,5,7
L.E.G.	France	Dr. Gilbert REYNE	1,3,4,7
D*ASS	Allemagne	Pr. Hartmut JANOCHA	1,2,5,7*
Univ. HULL	Angleterre	Dr. R.D. GREENOUGH	2,4,5,6*
UNI-Na D.S.F.	Italie	Pr. Carlo LUPONIO	2,4,7
Univ. SALFORD	Angleterre	Dr. Donald G. LORD	2*,3,4,5,6,7
Industrielles :
CIRA	Italie	M. Antonino LA BARBERA	1,6,7
METRAVIB	France	M. Laurent PERIER M. Dominique BONDOUX	1,3,4*,7
STRAGO	Italie	M. Mannara GIOVANNI	7
DLR	Allemagne	Dr. Uwe Gnauert	1,2,3,5*,7
TACT	Irlande	M. Carl TYREN	2,3,7

Tableau -1  : Récapitulatif des partenaires du contrat européen et de leur implication (* task leader).
2. Notre rôle

Fortement impliqués dans les tâches 3 et 7, nous avons, dans un premier temps, travaillé sur l'aspect dimensionnement des prototypes à l'aide de logiciels utilisant la méthode de résolution par éléments finis développés au laboratoire (cf. chapitre III).

Après leur conception nous avons testé les prototypes " légers ", au fur et à mesure de leur fabrication. Grâce au savoir acquis par l'élaboration des prototypes successifs, nous avons pu améliorer leur conception. Les résultats des mesures sont relatés et commentés dans le chapitre IV.

L'aboutissement final de ce travail de recherche est de réaliser des actionneurs pour le contrôle actif des vibrations d'une inductance de lissage (cf. chapitre V). Nous avons ainsi déterminé les capacités de ces actionneurs magnétostrictifs à réduire les vibrations et ce, en dépit de leur comportement fortement non-linéaire.

Figure -2 : Collaboration du Laboratoire d'Electrotechnique avec les autres partenaires du contrat européen MADAVIC.

Notre rôle est illustré par la Figure I-2. Nous avons dans la première partie du contrat principalement collaboré avec le KTH pour la phase de modélisation en vue de la conception des prototypes. Nous avons utilisé les résultats des études faites sur les matériaux magnétostrictifs par les universités de HULL et de SALFORD. Nous servions également d'intermédiaire entre le KTH et METRAVIB pour tenir compte des contraintes de fabrication lors de la conception des actionneurs. Une fois les prototypes dits " léger " réalisés, des campagnes d'essais communes avec METRAVIB ont été effectuées. Parallèlement D*ASS travaillait sur les actionneurs dits "lourd " et les résultats étaient comparés. Vers la fin du contrat nous avons eu de nombreux échanges avec les différents partenaires de la tâche 7 et l'université de HULL responsable de l'électronique du contrôle actifs des vibrations (tâche 6).

3. Le déroulement et l'organisation

1. Pots vibrants

Un pot vibrant (" shaker " en anglais), également appelé actionneur vibrant (actionneur est un terme plus général mais il sera dans ce travail utilisé comme synonyme de pot vibrant), est tout simplement un dispositif électrique fournissant en sortie une grandeur mécanique vibratoire telle qu'une force, un déplacement ou une accélération.

1. Les différents types de pots vibrants

Plusieurs technologies peuvent être utilisées pour fabriquer un pot vibrant. Cette partie détaille les technologies les plus couramment utilisées.

1. Les pots vibrants électrodynamiques

L'exemple type de l'actionneur électrodynamique est le haut-parleur. Un aimant permanent interagit avec une bobine qui transmet son mouvement à une membrane. Elle génère des vibrations mécaniques et par conséquent des ondes sonores par variation de la pression de l'air environnant. Cet actionneur est fréquemment utilisé pour le contrôle actif du bruit en tant qu'ondes sonores.

Comme la résistance mécanique de l'air est faible, un simple haut-parleur permet d'y générer des vibrations. Mais dans le cas d'une structure mécanique, la puissance mécanique nécessaire pour la mettre en vibration est beaucoup plus importante. La géométrie est donc repensée pour s'adapter à des forces plus grandes et la membrane est remplacée par une tige métallique qui permet de transmettre l'effort (voir Figure I-3).

 

 

Figure -3 : Structure d'un pot vibrant électrodynamique^[2,Labworks].

Ces actionneurs obéissent à la loi de Laplace (force de Lorentz). Lorsqu'un petit élément de conducteur de longueur dl, parcouru par un courant i, est soumis à une induction magnétique B, il est le siège d'une force dF :
 

Eq. 1

La force maximale est limitée par les valeurs de l'induction B et de l'intensité du courant i. La valeur maximum de l'induction est donnée par la force magnétomotrice de l'aimant permanent mais encore par la saturation du circuit magnétique guidant le flux. La limitation du courant i ne dépendra que de l'effet Joule, c'est à dire de l'échauffement de la bobine.

Une réponse linéaire en fonction du champ magnétique B est le principal avantage de ce type de pots vibrants (en supposant bien sûr que la bobine se déplace dans un champ uniforme). Leur commande est par conséquent plus simple et peut se faire en boucle ouverte. C'est une des raisons qui justifie que ces actionneurs sont les plus fréquemment utilisés.

Voici deux exemples (cf.Tableau I-2) de caractéristiques de pots vibrants électrodynamiques commercialisés respectivement par les entreprises Gearing & Watson et Bruël & Klaer

Force max. (val. eff.)	100 N	489 N
Déplacement maximum (val. eff.)	10 mm	9.5 mm
Masse en mouvement	0.17 kg	0.426 kg
Fréquence d'utilisation	0 à 14 kHz	0 à 7.5 kHz
Diamètre extérieur	150 mm	275 mm
Hauteur extérieur	200 mm	290 mm
Courant max. (val. eff.)	11 V	1000 VA
Tension max. (val. eff.)	11 A	1000 VA
Poids total	16.3 kg	64 kg
Refroidissement	Naturel	Forcé à air

Tableau -2 : Caractéristiques de pots vibrants électrodynamiques

 

2. Les pots vibrants électromagnétiques

Ces actionneurs fonctionnent par attraction magnétique tel un électro-aimant. Dans un circuit magnétique ouvert dans lequel circule un flux, il se crée dans l'entrefer une force tendant à refermer le circuit magnétique.

L'entrefer est généralement faible par rapport à la section du circuit magnétique et l'induction B est pratiquement uniforme dans l'entrefer. Dans ces conditions, on obtient :
 

	Eq. 2
	Eq. 3

La force obtenue dans chaque entrefer de section S devient :
 

Eq. 4

Ce qui revient pour les deux entrefers à une force totale de :
 

Eq. 5

L'intensité de la force créée en fait son plus grand intérêt. Son inconvénient est son comportement non - linéaire : la force dépend du carré de l'induction ainsi que du carré de l'entrefer.

3. Les actionneurs piézo-électriques

Les matériaux piézo-électriques sont des matériaux relativement récents en constante évolution. Ils existent sous forme de matériaux céramiques ou de matériaux polymères et ils ont la propriété de se déformer sous l'application d'un champ électrique.

Figure -4 : Représentation d'un actionneur piézo-électrique^[3,PI]

Leur coût modéré permet leur utilisation dans de nombreuses applications industrielles et grand public. Toutefois pour certaines applications, comme les pots vibrants piézo-électriques, la tension de commande nécessaire peut être de plusieurs milliers de volts. Le fait qu'ils soient excités par une tension élevée rend leur mise en œuvre et leurs amplificateurs de commande difficiles à réaliser et coûteux.

Le pot vibrant piézo-électrique comporte un barreau qui, en se déformant, produit une force et un déplacement. Ce barreau est composé d'un empilement de disques piézo-électriques séparés par des électrodes, voir Figure I-4 (alternance d'anode et de cathode). Cet empilement permet de rapprocher l'anode de la cathode et donc d'augmenter la valeur du champ électrique traversant le matériau pour une tension d'alimentation donnée.


 

	Unités	Tb0.27Dy0.73Fe2	PZT-Céramique
T° de Curie	°C	387	300
Déformation	ppm	1500-2000	500-1000
Coefficient de couplage : k33	mA-1	0,72	0,68
Densité d'énergie	J.m-3	14000-25000	960
Résistance électrique	W .cm	60.10-6	1.10-6
Densité	kg/m-3	9,25.103	7,5.103
Limite élast. en traction	Pa	28.106	28.106
Lim. élast. compression	Pa	7,5.103	-
Constante d33	mV-1	1,7.10-9	500.10-12

Tableau -3 : Comparaison entre les propriété du Terfenol-D et des céramiques piézo-électriques

La densité de puissance ainsi que le module d'Young des matériaux piézo-électriques est plus faible que celles des matériaux magnétostrictifs (cf. Tableau I-3, l'évolution rapide des matériaux piézo-électriques peut cependant remettre en cause ces chiffres). La force développée est donc moins importante. C'est également le cas en terme de déplacement où les matériaux magnétostrictifs ont une déformation plus importante.

Toutefois pour des raisons de coûts ou de contraintes électromagnétiques, l'actionneur piézo-électrique s'avère être un choix intéressant. La Figure I-5 présente une série d'actionneurs piézo-électriques commercialisés par la société Physik Instrumente (http://www.physikinstrumente.com)



Figure -5 : Actionneurs piézo-électriques commercialisés par la société Physik Instrumente

 

4. Les pots vibrants magnétostrictifs
Leur capacité à développer des forces très importantes est leur principal avantage. Ils furent utilisés pour la première fois par l'armée pour réaliser la fonction de sonar dans les sous-marins. Dans les années 1970, les matériaux à magnétostriction géante n'étaient pas encore connus et des matériaux tels que le nickel étaient utilisés. Ces matériaux présentaient des déformations très faibles 33 ppm (parties par million) pour le nickel et les actionneurs avaient une taille et un poids conséquents.

La découverte des matériaux à magnétostriction géante a permis d'élargir les domaines d'applications de ces actionneurs et depuis quelques années de nouvelles applications potentielles^{[4,Claeyssen][5,Roth]} sont à l'étude.

Leur déplacement est supérieur aux actionneurs piézo-électriques mais inférieur aux pots électrodynamiques et électromagnétiques. Toutefois leur faible déplacement relatif limite le nombre des applications. De plus, le coût pour l'instant très élevé des matériaux à magnétostriction géante les exclut des applications grand public et de la production en série. Nous discuterons au paragraphe II.1.6 de l'évolution des prix et des technologies de fabrication des barreaux magnétostrictifs ainsi que des différents fabricants.

La compréhension des phénomènes physiques impliqués dans ce type d'actionneur, leur modélisation, la conception et l'application au contrôle actif des vibrations font l'objet de ce travail de thèse. Nous développerons donc en détail la conception et l'utilisation des actionneurs à magnétostriction géante.

2. Etude de marché
Le marché des pots vibrants en tant qu'application et en tant que besoin industriel existe déjà. Il est en partie satisfait par les pots vibrants proposés actuellement dans le commerce. Ces actionneurs sont pour la plupart de technologie électrodynamique.

Les actionneurs magnétostrictifs sont, sur certains secteurs, concurrentiels des actionneurs cités précédemment mais ils sont surtout complémentaires. Ils permettent de nouvelles applications grâce à leurs atouts indéniables : leur faible poids et volume ainsi que leur force développée à puissance égale. Leur prix, pour l'instant élevé, ne les destine pas aux applications grands publics. Ils trouvent leur place dans l'industrie et l'aéronautique. Tout dépend de l'évolution du coût du matériau de base et d'une éventuelle production en série.

Les principaux marchés reposent sur les applications développées dans le cadre du contrat européen MADAVIC : le contrôle actif des vibrations et la détection de défauts de structures mécaniques. D'autres applications sont envisagées comme les sonars, le positionnement de précision^[6,Qiang] (au dixième de µm) d'appareils de masse importante, l'amortissement de bâtiment lors de tremblement de terre, la génération d'ondes acoustiques pour sonder le sous sol, etc.

L'arrivée de nouveaux fabricants de barreaux magnétostrictifs comme le Japonais TDK pourrait bouleverser le marché et entraîner la chute (relative) des prix. Les applications pourraient alors se multiplier. De nouvelles méthodes de fabrication, en particulier la technologie des poudres (comme pour les aimants frittés), permettent également la réduction des coûts de fabrication.

2. La détection de défauts

• un grand nombre de capteurs est nécessaire
• un post-traitement des résultats doit être effectué

1. Le contrôle actif des vibrations

Le contrôle actif des vibrations consiste à réduire les vibrations d'un appareil ou d'une structure à l'aide d'actionneur(s) auxquel(s) de l'énergie est fournie.

Les applications potentielles du contrôle actif des vibrations sont très nombreuses. En effet, de nombreuses machines vibrent en transmettant ces vibrations à leur entourage et produisent également une nuisance sonore. C'est le cas de la plupart des moteurs électriques et thermiques (par exemple pour la climatisation d'un bâtiment). Une des applications peut être la réduction du bruit dans un espace donné (habitacle d'une voiture, d'un avion, d'un conduit d'air ou d'un espace industriel bruyant). La réduction des vibrations permet aussi d'augmenter la fiabilité et la durée de vie d'une machine et également empêcher qu'elle transmette ces vibrations aux structures qui l'entourent (par exemple les vibrations transmises du réacteur au fuselage dans le cas d'un avion).

Toutes les possibilités sont connues depuis longtemps et c'est à la fin des années 30 que le premier brevet sur ce sujet fut déposé. Mais 60 ans après, les applications industrielles restent encore rares. En effet, depuis seulement quinze ans, existent sur le marché des processeurs numériques rapides permettant de développer de réelles applications. Ces processeurs numériques encore coûteux ferment le marché du contrôle actif des vibrations des appareils grand public. Enfin, nous espérons toujours une évolution du contrôle actif vers le secteur industriel par le développement exponentiel des performances des DSP (Digital Signal Processor), processeurs dédiés au calcul et optimisés pour des fonctions particulières, constituants principaux des contrôleurs.

Le contrôle actif du bruit et des vibrations nécessite l'utilisation d'actionneurs de type électrodynamique et dans notre cas de type magnétostrictif^{[7,Hiller][8,Salloker]}. Lorsque le bruit, ne peut pas être réduit à sa source, les actionneurs utilisés sont de simples haut-parleurs ; tout l'art réside ensuite dans leur répartition dans l'espace et dans la réalisation du système de contrôle. Mais si c'est possible le bruit est annihilé à sa source par la réduction des vibrations de la structure qui lui donne naissance. Les actionneurs utilisés peuvent alors être des moteurs électriques actionnant des balourds, des systèmes hydrauliques ou pneumatiques. Depuis quelques années, de nouveaux matériaux dits intelligents offrent de nouvelles possibilités et viennent compléter la gamme des actionneurs classiques^[9,David].

Les premiers furent les actionneurs piézo-électriques. Les matériaux piézo-électriques, le plus souvent utilisés comme capteurs, possèdent des propriétés réversibles et peuvent donc être utilisés comme actionneur. Il est alors nécessaire d'avoir un amplificateur haute tension permettant de les alimenter. Ces matériaux sont utilisés sous forme de céramiques massiques (de forme cylindrique, parallélépipèdique...) mais ils existent également sous forme de films (PVDF). Cette forme présente l'avantage de ne pas modifier le comportement mécanique de la structure sur laquelle ils sont collés. Le surplus de poids et la raideur est très faible. Une application potentielle du PVDF est le contrôle actif du bruit par un contrôle actif des parois des avions ou des vitres d'un immeuble.

La découverte des matériaux à magnétostriction géante et leur mise sur le marché à la fin des années 80 (il y a tout juste dix ans) a ouvert la voie à de nouvelles applications. Ces matériaux possèdent l'avantage de pouvoir être commandés à distance par un champ magnétique et leur densité de puissance laisse envisager une probable réalisation d'actionneurs de petites tailles pouvant délivrer des forces importantes. Nous essayerons de mettre en avant leurs atouts et de définir leur place parmi les actionneurs déjà existants.

Notre partenaire de l'université de Hull travaille déjà depuis plusieurs années sur le contrôle actif des vibrations par l'utilisation d'actionneurs magnétostrictifs. Dans ce but, des mesures de réponse d'un barreau de Terfenol-D à un signal carré ont été effectuées^{[10,Greenough]} et des algorithmes de contrôle à structure variable ont été développés^{[11,Greenough]}.

2. Conclusion