Passive self-tuning inductor for piezoelectric shunt damping considering temperature variations

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Effect of temperature on the tuning of a piezoelectric resonant shunt composed of variable inductance or variable capacitance

International audienceThe piezoelectric resonant shunt is an electromechanical device that can significantly damp mechanical vibrations if it is finely tuned. However, temperature may influence the electrical components of the shunt and the mechanical parameters of the vibrating structure, and deteriorate the damping performance as a consequence. The objective of this work is to describe how inductive and capacitive components can be chosen so that the shunt tuning is maintained in the case of temperature variations. Two solutions of fully passive adaptive shunts are developed, tested and compared. The first solution includes a variable inductance. In contrast, the second solution includes a variable capacitance and intends on keeping the shunt inductance as constant as possible. Experiments validate the concept of a resonant shunt that autonomously adapts to temperature variations

Broadband vibration damping of a non-periodic plate by piezoelectric coupling to its electrical analogue

International audienceSeveral solutions for multimodal vibration damping of thin mechanical structures based on piezoelectric coupling have been developed over the years. Among them, piezoelectric network damping consists in using piezoelectric transducers to couple a structure to an electrical network, where the transferred electrical energy can be dissipated. In particular, the effectiveness of coupling rods, beams and plates to networks which are their electrical analogues has been proven. This work is the first step going towards more complex structures. After defining and experimentally validating a new electrical analogue of a simply-supported plate, the study is extended to the damping of a non-periodic plate. Experiments show that in this case, a broadband damping is achieved once the piezoelectric transducers are coupled to an adequate analogous network. A finite element model of the structure coupled to its analogous network is concurrently developed and validated

Plate electrical analogue for multimodal energy transfer

International audienceThis work presents the implementation of a plate electrical analogue and its validation by comparison between measurements and simulations. We also highlight the possible use of this network as an energy harvester

Modal-based synthesis of passive electrical networks for multimodal piezoelectric damping

peer reviewedThis work presents a new approach to design an electrical network which, when coupled to a structure through an array of piezoelectric transducers, provides multimodal vibration mitigation. The characteristics of the network are specified in terms of modal properties. On the one hand, the electrical resonance frequencies are chosen to be close to those of the targeted set of structural modes. On the other hand, the electrical mode shapes are selected to maximize the electromechanical coupling between the mechanical and electrical modes while guaranteeing the passivity of the network. The effectiveness of this modal-based synthesis is demonstrated using a free–free beam and a fully clamped plate

Amortissement vibratoire multimodal de plaques par couplage à leurs réseaux piézoélectriques analogues

Le principe du shunt piézoélectrique résonant est étendu au contrôle d'une structure multimodale par multiplication du nombre de patchs piézoélectriques. Ceux-ci sont interconnectés via un réseau électrique ayant un comportement modal approximant celui de la structure à contrôler. Pour une plaque mince, l'application de la méthode des différences finies aux équations continues de Kirchhoff-Love permet d'obtenir un ensemble d'équations discrètes qui définissent un modèle différences finies d'une cellule élémentaire de plaque. À partir de ce modèle mécanique discret, l'analogie électromécanique mène à un réseau électrique analogue constituées d'inductances et de transformateurs. Quand le réseau bidimensionnel est connecté à un ensemble de patchs piézoélectriques, le système complet fait apparaître une coïncidence à la fois spatiale et fréquentielle entre les modes de résonance de plaque et ceux de l'analogue électrique. Le couplage piézoélectrique entre les deux sous-domaines génère un transfert énergétique surne large plage de fréquences. On obtient donc un réseau multi-résonant qui permet le contrôle simultané de plusieurs modes mécaniques. Expérimentalement, on observe des réductions d'amplitude vibratoire de plus de 20 décibels sur les 5 premiers modes d'une plaque. Ceci démontre le potentiel de la stratégie de contrôle passif en matière d'amortissement multimodal

Passive control of a periodic structure using a network of periodically-coupled piezoelectric shunt circuits

This work proposes a method to synthesize an electrical network which, when coupled to a complex periodic or nearly-periodic structure through an array of piezoelectric transducers, provides multimodal vibration mitigation. The structure is decomposed into multiple substructures and a reduced-order model is built for each of them. From these models, it is possible to synthesize a network with simple algebraic transformations. The link between these transformations and electromechanical modal coupling is derived, and conditions are given in order to guarantee the passivity of the electrical network. The proposed approach is illustrated on a bladed rail, for which damping of one or multiple families of blade modes is demonstrated

Amortissement vibratoire multimodal de structures couplées à leurs réseaux piézoélectriques analogues

Structural vibrations can be reduced by benefiting from the electromechanical coupling that is offered by piezoelectric materials. In terms of passive damping, piezoelectric shunts allow converting the vibration energy into electrical energy. Adding an inductor in the circuit creates an electrical resonance due to the charge exchanges with the piezoelectric capacitance. By tuning the resonance of the shunt to the natural frequency of the mechanical structure, the equivalent of a tuned mass damper is implemented. This strategy is extended to the control of a multimodal structure by increasing the number of piezoelectric patches. These are interconnected through an electrical network offering modal properties that approximate the behavior of the structure to control. This multi-resonant network allows the simultaneous control of multiple mechanical modes. An adequate electrical topology is obtained by discretizing the mechanical structure and applying the direct electromechanical analogy. The analogous network shows inductors and transformers, whose numbers and values are chosen according to the frequency band of interest. After focusing on the design of suitable magnetic components, the passive control strategy is applied to the damping of one-dimensional structures as bars or beams. It is then extended to the control of thin plates by implementing a two-dimensional analogous network.L'amplitude vibratoire d'une structure mince peut être réduite grâce au couplage électromécanique qu'offrent les matériaux piézoélectriques. En termes d'amortissement passif, les shunts piézoélectriques permettent une conversion de l'énergie vibratoire en énergie électrique. La présence d'une inductance dans le circuit crée une résonance électrique due à l'échange de charges avec la capacité piézoélectrique. Ainsi, l'ajustement de la fréquence propre de ce shunt résonant à celle de la structure mécanique équivaut à la mise en œuvre d'un amortisseur à masse accordée. Cette stratégie est étendue au contrôle d'une structure multimodale par multiplication du nombre de patchs piézoélectriques. Ceux-ci sont interconnectés via un réseau électrique ayant un comportement modal approximant celui de la structure à contrôler. Ce réseau multi-résonant permet donc le contrôle simultané de plusieurs modes mécaniques. La topologie électrique adéquate est obtenue par discrétisation de la structure mécanique puis par analogie électromécanique directe. Le réseau analogue fait apparaître des inductances et des transformateurs dont le nombre et les valeurs sont choisis en fonction de la bande de fréquences à contrôler. Après s'être penché sur la conception de composants magnétique adaptés, la solution de contrôle passif est appliquée à l'amortissement de structures unidimensionnelles de type barres ou poutres. La stratégie est ensuite étendue au contrôle de plaques minces par mise en œuvre d'un réseau électrique bidimensionnel

Positionnement optimal de couches minces piézoélectriques dans un objectif de maximisation de couplages modaux

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