CARACTERISATION DES SYSTEMES DE TPA ET OPTIMISATION ELECTRIQUE

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Introduction

Cette thèse s’intéresse à la transmission de puissance acoustique afin de permettre l’alimentation et la communication sans fils de dispositifs électroniques. Ce procédé permet de conserver l’intégrité mécanique de structures fermées, en évitant leur perçage pour alimenter et communiquer avec des dispositifs placés de l’autre côté. Dans ce manuscrit, nous étudions la transmission de puissance acoustique à travers des parois métalliques, un cas d’application très intéressant pour lequel les technologies électromagnétiques ne peuvent être utilisées.

La transmission de puissance acoustique à travers les parois consiste à utiliser des transducteurs électromécaniques placés de part et d’autre de celle-ci. Un premier transducteur émetteur, convertit une excitation électrique en excitation mécanique. Les forces et mouvements générés se propagent alors dans la paroi avant d’atteindre un deuxième transducteur récepteur, qui va convertir cette excitation mécanique en électricité. Ces deux transducteurs et la paroi forment, ce que nous appelons, un canal électro-acoustique qui permet la transmission d’énergie électrique d’un côté à l’autre de la paroi via l’utilisation d’ondes acoustiques. Ce procédé a déjà été validé à la fois en modélisation et expérimentalement. Ainsi, dans cette thèse, nous n’avons pas cherché à prouver l’intérêt des ondes acoustiques pour fournir de la puissance électrique à des dispositifs isolés mais plutôt à faciliter leur alimentation. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les différents travaux déjà réalisés et permet d’identifier les axes d’amélioration de la transmission de puissance acoustique :

– Augmenter le rendement et la puissance transmise :

o Optimisation électrique des canaux acoustiques

o Optimisation des dimensions et des matériaux des éléments composant le canal

électro-acoustique

o Proposition de solutions originales

– Faciliter la mise en place du système

– Déterminer la meilleure fréquence de fonctionnement

Afin de répondre à ces objectifs, plusieurs solutions ont été proposées et validées expérimentalement. Celles-ci ont été préalablement étudiées à partir de modèles analytiques et par éléments finis qui sont décrits dans le chapitre 2. Dans le chapitre 3, nous montrons pourquoi le rendement et la puissance transmise dépendent de la charge électrique connectée sur le récepteur et détaillons l’optimisation électrique à réaliser afin de les maximiser. Dans ce même chapitre, nous utilisons cette méthode d’optimisation afin de caractériser des systèmes expérimentaux et étudions notamment l’utilisation de transducteurs non-collés à la paroi facilitant l‘installation d’un système de transmission de puissance acoustique. Cette optimisation étant réalisée, le rendement et la puissance transmise peuvent être encore améliorés en optimisant le canal électro-acoustique. Ce sujet est traité dans le chapitre 4. Plusieurs solutions originales y sont étudiées et validées expérimentalement.

Dans le dernier chapitre, nous montrons, pour la première fois dans le domaine de la transmission de puissance acoustique au travers de paroi, comment l’utilisation de plusieurs émetteurs permet de focaliser les ondes acoustiques sur des récepteurs positionnés en différents endroits. Cette étude ouvre de nouvelles perspectives permettant l’alimentation de plusieurs récepteurs, non alignés avec les émetteurs.

Dans ce chapitre, les objectifs et les contraintes de la communication et transmission de puissance acoustique (CTPA) ainsi que notre positionnement par rapport à cette thématique sont détaillés. Nous présentons un état de l’art des modèles et des dispositifs expérimentaux.

Objectifs et principes de la communication et transmission de puissance acoustique.

La CTPA consiste à établir une communication et à transmettre de la puissance électrique entre deux éléments via l’utilisation d’ondes acoustiques. Ce type de systèmes est intéressant partout où le passage de câbles électriques est à éviter et où l’utilisation de techniques électromagnétiques est inadaptée.

La CTPA est donc intéressante, entre autres, pour alimenter des dispositifs électroniques placés (i) de part et d’autre de parois, et notamment de parois métalliques, (ii) dans des milieux perturbés électromagnétiquement, (iii) dans le corps humain ou dans des liquides et (iv) dans l’air.

Le principe de la CTPA consiste à générer des ondes acoustiques à partir d’un signal électrique appliqué

à un transducteur, l’émetteur. L’émetteur étant en contact avec le milieu à traverser (e.g. air, liquide, paroi), les ondes acoustiques s’y propagent jusqu’à atteindre un second transducteur, le récepteur, qui va convertir ces déformations mécaniques en signal électrique. Ainsi, un signal électrique appliqué sur l’émetteur se traduit par un signal électrique sur le récepteur. Il est donc possible de transmettre de la puissance et des données à travers ou le long de milieux. La Figure 1 présente un schéma de principe de la CTPA à travers les parois..

Eviter le passage de câbles électriques à travers les parois est avantageux car les fonctions structurelles et l’étanchéité (mécanique ou électromagnétique) des parois sont affectées par les trous nécessaires pour le passage des câbles électriques.

Les solutions électromagnétiques ne sont pas adaptées pour l’alimentation et la communication de dispositifs à travers des parois conductrices, ces dernières font cage de Faraday et absorbent les ondes électromagnétiques lorsque l’épaisseur de la paroi est supérieure à une distance caractéristique nommée épaisseur de peau de la paroi ( ) :

= 1 1-1

√ 0µ

Avec la fréquence du signal électromagnétique (en Hz), µ0 (en H/m) la perméabilité magnétique du vide, µ la perméabilité relative du milieu et la conductivité du milieu (S/m). Ainsi pour une paroi en acier ferritique de conductivité 6 106 S/m et de perméabilité magnétique 1000 l’épaisseur de peau à 10 kHz est de 24µm. Cela est également vrai pour communiquer à travers des milieux liquides conducteurs tel que l’eau salée. L’absorption des champs RF peut être réduite en utilisant de très basses fréquences. Sur ce principe, des systèmes magnétodynamiques, fonctionnant à très basse fréquence permettent de traverser des parois conductrices : à environ 100Hz l’épaisseur de peau augmente à 240µm et permet d’envisager la traversée de parois de l’ordre du mm [1]. Cependant, la très faible fréquence de fonctionnement ne permettrait d’obtenir que de très faibles débits de communication.

A l’inverse des ondes électromagnétiques, les ondes acoustiques se propagent très bien dans les matériaux conducteurs, même à des fréquences de l’ordre du mégahertz et permettent donc la transmission de puissance et la communication de données avec de bons débits.

L’utilisation d’ondes acoustiques pour transmettre de la puissance et communiquer est donc la technologie la plus appropriée pour beaucoup d’applications de CTPA et particulièrement pour les milieux conducteurs absorbant le champ électromagnétique. Cependant, les performances de la CTPA sont très dépendantes du milieu de propagation. Nous présentons les contraintes associées dans la partie suivante à la transmission dans les tissus biologiques, l’air et les parois solides.

Contraintes de la CTPA

Contraintes pour la transmission dans les tissus biologiques

Comme pour les champs électromagnétiques, l’intensité des ondes acoustiques acceptables dans les tissus biologiques est limitée [4]. Les puissances acceptables sont néanmoins plus grandes avec les ondes acoustiques qu’avec les ondes radio [5]. Afin de garantir que de fortes puissances acoustiques ne sont pas atteintes dans le milieu il est important d’éviter de trop concentrer le faisceau acoustique comme cela est fait dans [4] et d’éviter les ondes stationnaires pour lesquelles de fortes amplitudes sont atteintes localement au niveau des ventres d’amplitude [6]. Cette dernière condition peut être réalisée en limitant les réflexions à l’interface tissus/récepteur [6] ou en utilisant des trains de sinusoïdes plutôt que des ondes continues [7]. Par ailleurs, des problématiques d’orientation et de positionnement émetteur/récepteur sont présentes de par les mouvements possibles des tissus [4].

Contraintes pour la transmission dans l’air

L’impédance acoustique caractéristique de l’air est très faible. Ainsi, un transducteur alimenté et en contact avec l’air ne ressent pratiquement aucune résistance mécanique de la part de l’air et n’y

transfère donc que très peu de puissance. Afin d’éviter ce problème et de transmettre davantage de puissance dans l’air il est nécessaire d’utiliser des systèmes permettant d’augmenter l’impact mécanique de l’air sur le transducteur. Cela correspond à une adaptation d’impédance mécanique et peut être réalisé via l’utilisation de différents dispositifs tels que les pavillons, utilisés dans les gramophones afin d’augmenter le niveau sonore (voir Figure 2). Roes et al. [8] ont étudié l’intérêt des pavillons pour augmenter la puissance transmise de manière acoustique dans l’air. Les rendements et niveaux de puissance obtenus pour la transmission de puissance acoustique (TPA) à travers l’air restent assez faibles.

Table des matières

REMERCIEMENTS
RESUME
ABSTRACT
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 – ETAT DE L’ART
• 1.I. Objectifs et principes de la communication et transmission de puissance acoustique.
• 1.II. Contraintes de la CTPA
1.II.1. Contraintes pour la transmission dans les tissus biologiques
1.II.2. Contraintes pour la transmission dans l’air
1.II.3. Contraintes pour la transmission dans les parois.
• 1.III. Positionnement de la thèse
• 1.IV. Etat de l’art
1.IV.1. Les différents laboratoires
1.IV.2. Modélisation de la TPA..
1.IV.3. Réalisations expérimentales et dispositifs originaux
• 1.V. Conclusion du chapitre
CHAPITRE 2 – MODELISATION
• 2.I. Modélisation analytique
2.I.1. Couches mécaniques sans diffraction (parois fines, colle) : MASD
2.I.2. Couches mécaniques avec diffraction (parois épaisses) : MAAD
2.I.3. Eléments piézoélectriques
2.I.4. Comportement des empilements de couches
• 2.II. Modélisation par éléments finis
2.II.1. Résolutions des équations différentielles partielles
2.II.2. Application des éléments finis à la transmission de puissance acoustique
• 2.III. Validation des modèles
2.III.1. Validation des modèles, paroi fine
2.III.2. Validation du MAAD, paroi épaisse
2.III.3. Différences entre le MAAD et le MEF
2.III.4. Les limites du MAAD
• 2.IV. Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 – CARACTERISATION DES SYSTEMES DE TPA ET OPTIMISATION ELECTRIQUE
• 3.I. Evaluation des performances
3.I.1. Performances
3.I.2. Maximisation des performances
• 3.II. Caractérisation expérimentale des systèmes
3.II.1. Mesure de la matrice d’impédance.
3.II.2. Exemple de résultats
3.II.3. Méthode alternative pour déterminer la matrice d’impédance
3.II.4. Fixation sans colle
• 3.III. Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 – OPTIMISATION MECANIQUE
• 4.I. Borne supérieure du rendement de la paroi
• 4.II. Impact de la colle
• 4.III. Optimisation des transducteurs piézoélectriques
4.III.1. Charge électrique appliquée au récepteur
4.III.2. Choix des dimensions des transducteurs
4.III.3. Choix du matériau piézoélectrique
• 4.IV. Bornes supérieures des performances
4.IV.1. Bornes supérieures globales des systèmes de TPA
4.IV.2. Performances individuelles de chaque couche
• 4.V. Stratégies pour augmenter la puissance normalisée
4.V.1. Couche intermédiaire
4.V.2. Empilements de transducteurs
4.V.3. Contre-masses
• 4.VI. Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 – SYSTEMES MULTI-EMETTEURS
• 5.I. Maximisation des performances
5.I.1. Maximisation du rendement
5.I.2. Maximisation de la puissance normalisée.
• 5.II. Validation expérimentale
5.II.1. Dispositif expérimental
5.II.2. Méthode de mesure et de caractérisation
5.II.3. Résultats expérimentaux
• 5.III. Empilement de transducteur vu comme un système MISO
• 5.IV. Conclusion du chapitre
CONCLUSION DE LA THESE ET PERSPECTIVES
• Synthèse des travaux réalisés
• Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
• Annexe – 1.Détail de calcul 1
• Annexe – 2.Raideur et mouvement de corps rigide
• Annexe – 3.Facteur de qualité d’un matériau
• Annexe – 4.Lenteur complexe
• Annexe – 5.Inversion des termes
• Annexe – 6.Gain en tension sur 𝒁𝑳𝒐𝒂𝒅
• Annexe – 7.Formule du rendement
• Annexe – 8.Théorème de transfert de puissance maximum (ou Loi de Jacobi)
• Annexe – 9.Impédances d’entrée et de sortie d’un réseau d’adaptation d’impédance.
• Annexe – 10.Charge complexe maximisant le rendement
• Annexe – 11.Borne du rendement de la paroi pour plusieurs valeurs de facteur de qualité
• Annexe – 12.Condition pour que la colle soit négligeable
• Annexe – 13.Rendement de TPA pour différentes valeurs de 𝚼.
• Annexe – 14.Détermination du champ électrique dans le transducteur
• Annexe – 15.Datasheet des matériaux PI
• Annexe – 16.Matrice du quadripôle émetteur
• Annexe – 17.Impédance mécanique des transducteurs piézoélectriques sans pertes.
• Annexe – 18.Rendement maximal en fonction du port d’excitation
• Annexe – 19.Maximisation du rendement des systèmes MIMO
LISTE DES PUBLICATIONS
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