FR2677415A1 - Active device for compensating for mechanical vibrations - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIE ACTIF DE COMPENSATION
DE VIBRATIONS MECANIQUES
La présente invention concerne le domaine de l'amortir sement des vibrations mécaniques; elle a plus particulièrement pour objet un dispositif actif de compensation de ces vibrations.ACTIVE COMPENSATION PROVISION
MECHANICAL VIBRATIONS
The present invention relates to the field of damping mechanical vibrations; it relates more particularly to an active device for compensating for these vibrations.
Ainsi qu'il est connu il est nécessaire de protéger les matériels et équipements fragiles des vibrations mécaniques qui peuvent exister dans leur environnement, ces vibrations perturbant leur fonctionnement et pouvant entraîner jusqu'à leur destruction ; c'est par exemple le cas des matériels électroniques embarqués dans des vehicules terrestres ou aériens, que ce soit à des fins civiles ou militaires. As is known, it is necessary to protect fragile materials and equipment from mechanical vibrations which may exist in their environment, these vibrations disturbing their operation and possibly leading to their destruction; this is for example the case of electronic equipment on board land or air vehicles, whether for civil or military purposes.
I1 est possible de traiter ce problème au niveau même de la conception du matériel, en utilisant par exemple des composants particuliers, en renforçant les supports des circuits électroniques, en entourant les circuits de suspensions et amortisseurs spécifiques, etc... Cette solution, qui nécessite une conception particulière et du matériel supplémentaire, présente l'inconvénient d'être fort coûteuse.Une autre solution consiste à utiliser un matériel standard, non particulièrement étudié à cet égard, et de lui adjoindre des systèmes d'amortissement passifs classiques ; cette solution présente toutefois également des inconvénients : son efficacité est limitée à une certaine bande de fréquence des vibrations, au-delà de laquelle elle n'assure plus l'amortissement des vibrations et parfois même les amplifie, selon un processus de résonance ; la fréquence de résonance peut se trouver dans le spectre de fréquence des vibrations à amortir et il est difficile, souvent impossible, de la déplacer ; de plus ces dispositifs sont encombrants, ce qui est un inconvénient évident pour des matériels embarqués dans des véhicules où l'espace est forcément limité. It is possible to deal with this problem at the level of the design of the material, for example by using specific components, by strengthening the supports of the electronic circuits, by surrounding the circuits with specific suspensions and dampers, etc. This solution, which requires a particular design and additional equipment, has the disadvantage of being very expensive. Another solution consists in using standard equipment, not particularly studied in this regard, and to add to it conventional passive damping systems; However, this solution also has drawbacks: its effectiveness is limited to a certain frequency band of the vibrations, beyond which it no longer ensures the damping of the vibrations and sometimes even amplifies them, according to a resonance process; the resonant frequency can be found in the frequency spectrum of the vibrations to be damped and it is difficult, often impossible, to move it; more these devices are bulky, which is an obvious drawback for equipment on board vehicles where space is necessarily limited.
La présente invention a pour objet d'éviter ou, au moins, de réduire les inconvénients et limitations précédents. The object of the present invention is to avoid or at least reduce the above drawbacks and limitations.
A cet effet, le dispositif selon l'invention utilise principalement deux transducteurs électromécaniques pour, d'une part, détecter la vibration à amortir et, d'autre part, engendrer une onde mécanique qui compense aussi exactement que possible la vibration initiale et, ce, avant que la vibration à amortir n'ait atteint l'élément à isoler. To this end, the device according to the invention mainly uses two electromechanical transducers to, on the one hand, detect the vibration to be damped and, on the other hand, generate a mechanical wave which compensates as exactly as possible for the initial vibration and, this , before the vibration to be damped has reached the element to be isolated.
Plus précisément, le dispositif de compensation selon l'invention est interposé entre l'élément à isoler mécaniquement et son support, susceptible de vibrer. Le dispositif comporte
- un premier transducteur électromécanique, disposé sur le support et fournissant un signal électrique représentatif de la vibration mécanique à compenser
- un deuxième transducteur électromécanique1 disposé sur l'élément à isoler ; il reçoit un signal électrique fonction de celui qui est fourni par le premier transducteur, de façon à engendrer une onde mécanique
- des moyens de déphasage du signal électrique ou de la vibration, de sorte que l'onde mécanique compense la vibration qui le traverse.More specifically, the compensation device according to the invention is interposed between the element to be mechanically insulated and its support, liable to vibrate. The device includes
- a first electromechanical transducer, placed on the support and providing an electrical signal representative of the mechanical vibration to be compensated
- a second electromechanical transducer1 arranged on the element to be insulated; it receives an electrical signal depending on that supplied by the first transducer, so as to generate a mechanical wave
- Means of phase shifting of the electrical signal or of the vibration, so that the mechanical wave compensates for the vibration which passes through it.
D'autres particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent
- la figure 1, un schéma synoptique du dispositif selon l'invention
- les figures 2a et 2b, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention;
- les figures 3a, 3b et 3c, un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention;
- la figure 4, un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention.Other features and results of the invention will emerge from the following description, given by way of nonlimiting example and illustrated by the appended drawings, which represent
- Figure 1, a block diagram of the device according to the invention
- Figures 2a and 2b, a first embodiment of the device according to the invention;
- Figures 3a, 3b and 3c, a second embodiment of the device according to the invention;
- Figure 4, a third embodiment of the device according to the invention.
Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Par ailleurs, pour la clarté des dessins, I'échelle réelle n'a pas été respectée. In these different figures, the same references relate to the same elements. Furthermore, for the sake of clarity of the drawings, the real scale has not been respected.
La figure 1, est donc un schéma synoptique du dispositif selon l'invention. Figure 1 is therefore a block diagram of the device according to the invention.
Sur ce schéma, on a représenté un élément M quelconque, tel qu'un équipement ou matériel électronique, que l'on désire protéger des vibrations engendrées par l'environnement extérieur. Ce matériel M est supporté par un bâti ou support B qui, lui, est soumis à ces vibrations extérieures. Selon l'invention, entre le matériel M et son support B est disposé un dispositif de compensation de vibrations. In this diagram, there is shown any element M, such as electronic equipment or material, which one wishes to protect from vibrations generated by the external environment. This material M is supported by a frame or support B which itself is subjected to these external vibrations. According to the invention, between the equipment M and its support B is arranged a vibration compensation device.
Ce dispositif comporte un premier transducteur électromécanique TC, en contact mécanique avec le support B. This device comprises a first electromechanical transducer TC, in mechanical contact with the support B.
Ce tranducteur a une fonction de capteur et fournit un signal électrique S représentatif de la vibration mécanique du support
B. Le dispositif de l'invention comporte encore un second transducteur électromécanique, repéré TA, disposé sur le matériel à isoler M. I1 comporte également, dans ce mode de réalisation, une couche d'un matériau dissipateur D disposée sur le bâti B et, entre le transducteur T A et le dissipateur D, une couche d'un matériau retard R.This transducer has a sensor function and provides an electrical signal S representative of the mechanical vibration of the support.
B. The device of the invention also comprises a second electromechanical transducer, marked TA, placed on the material to be insulated M. I1 also comprises, in this embodiment, a layer of dissipative material D placed on the frame B and , between the transducer TA and the dissipator D, a layer of delay material R.
Le signal électrique représentant la vibration mécanique subie par le bâti B est fourni au transducteur TA, le cas échéant par l'intermédiaire d'un circuit CS de calcul et de génération de signal, qui élabore un signal S' à partir du signal S qu'il reçoit. Parallèlement, la vibration mécanique subie par le bâti B se propage à travers le dissipateur D, dont on verra la fonction ci-après, et la couche R dans laquelle elle subit un retard ( At) prédéfini, pour atteindre le transducteur
TA. Celui-ci est un élément actif qui a pour fonction, sous commande du signal électrique qu'il reçoit, d'engendrer une onde mécanique de compensation telle que la résultante des déplacements dûs à la vibration mécanique incidente et ceux dûs à l'excitation électrique soit sensiblement nulle.Pratiquement, cela revient à engendrer dans l'élément actif TA une onde qui soit en opposition de phase par rapport à la vibration qu'il reçoit. Ceci est réalisé dans la variante représentée Figure 1 par le circuit C5 > qui impose au signal qu'il reçoit un déphasage de 1800. Le matériau retard R a pour fonction de compenser le temps (At) nécessaire à la détection de l'onde mécanique dans le transducteur Toc, au déphasage du signal électrique produit puis à l'activation du transducteur TA; ce temps est assez court, typiquement de l'ordre de la microseconde.The electrical signal representing the mechanical vibration undergone by the frame B is supplied to the transducer TA, if necessary via a circuit CS for signal calculation and generation, which generates a signal S 'from the signal S qu 'he receives. In parallel, the mechanical vibration undergone by the frame B propagates through the dissipator D, the function of which will be seen below, and the layer R in which it undergoes a predefined delay (At), to reach the transducer
YOUR. This is an active element which has the function, under control of the electrical signal it receives, of generating a mechanical compensation wave such as the result of displacements due to the incident mechanical vibration and those due to electrical excitation. or substantially zero. In practice, this amounts to generating in the active element TA a wave which is in phase opposition with respect to the vibration which it receives. This is achieved in the variant shown in Figure 1 by the circuit C5> which imposes on the signal that it receives a phase shift of 1800. The delay material R has the function of compensating for the time (At) necessary for the detection of the mechanical wave in the Toc transducer, when the electrical signal produced is out of phase and then when the TA transducer is activated; this time is quite short, typically of the order of a microsecond.
Dans une variante de réalisation, on supprime le matériau retard R et on corrige le déphasage à appliquer au signal électrique pour tenir compte du temps A t. In an alternative embodiment, the delay material R is eliminated and the phase shift to be applied to the electrical signal is corrected to take account of the time A t.
Dans une autre variante de réalisation, les moyens de déphasage de 1800 sont constitués par le matériau retard R; le déphasage de 1800 se trouve ainsi réalisé sur la vibration mécanique et non plus sur le signal électrique. In another alternative embodiment, the phase shift means of 1800 are constituted by the delay material R; the phase shift of 1800 is thus achieved on the mechanical vibration and no longer on the electrical signal.
L'élément dissipateur D a pour fonction de diminuer l'énergie globale de vibration entre support B et matériel M; cet élément n'est pas indispensable ; lorsqu'il existe, il peut être disposé entre le bâti et l'élément retard ; on peut également choisir pour l'élément R un matériau tel qu'il assure également une fonction de dissipation. The dissipating element D has the function of reducing the overall energy of vibration between support B and material M; this element is not essential; when it exists, it can be arranged between the frame and the delay element; one can also choose for the element R a material such that it also ensures a dissipation function.
Le transducteur TC peut être par exemple un capteur accélérométrique ou piézoélectrique. Le transducteur
TA peut être un élément actif piézoélectrique.The TC transducer can for example be an accelerometric or piezoelectric sensor. The transducer
TA can be a piezoelectric active element.
Par tailleurs, selon une variante non représentée, il est possible d'ajouter un troisième transducteur électromécanique sur l'élément M pour y détecter les éventuelles vibrations et, relié au circuit Cs, agir en contre-réaction de façon à réguler le système en corrigeant dérives et dispersions. By tailors, according to a variant not shown, it is possible to add a third electromechanical transducer on the element M to detect there any vibrations and, connected to the circuit Cs, act in feedback in order to regulate the system by correcting drifts and dispersions.
I1 apparaît ainsi que le dispositif selon l'invention réalise non pas un amortissement passif des vibrations indésirabes, mais une compensation de ces vibrations à l'intérieur de l'élément actif TA, avant que celles-ci n'aient atteint l'élément M qu'on veut isoler des vibrations. I1 thus appears that the device according to the invention realizes not a passive damping of the undesirable vibrations, but a compensation of these vibrations inside the active element TA, before those reached the element M that we want to isolate from vibrations.
La figure 2a, représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Figure 2a shows a first embodiment of the device according to the invention.
Sur cette figure, on retrouve le bâti B assurant le support du matériel M qu'on veut isoler des vibrations. Dans ce mode de réalisation, les différents éléments constitutifs du dispositif selon l'invention sont connectés mécaniquement en série entre le bâti B et matériel M. On trouve tout d'abord, disposé contre le bâti B, l'élément dissipateur D, réalisé par exemple par une couche de caoutchouc. Sur le dissipateur D est disposé le premier transducteur Tc, réalisé ici à l'aide d'un disque en matériau piézoélectrique. Sur le transducteur TC est disposé le matériau retard R, réalisé par exemple à l'aide d'un matériau polyethylène. Enfin, complétant le dispositif mécanique et disposé contre le matériel à isoler M, on trouve le second transducteur TA, réalisé par exemple à l'aide d'un empilement de disques piézoélectriques.Le signal S produit par le capteur TC est déphasé de 180 et éventuellement remis en forme par le circuit Cs, avant d'être appliqué (signal S') à l'élément actif TA. In this figure, we find the frame B providing support for the material M that we want to isolate from vibrations. In this embodiment, the various constituent elements of the device according to the invention are mechanically connected in series between the frame B and equipment M. First of all, disposed against the frame B, the dissipating element D, produced by example with a layer of rubber. On the dissipator D is arranged the first transducer Tc, produced here using a disc made of piezoelectric material. On the transducer TC is arranged the delay material R, produced for example using a polyethylene material. Finally, completing the mechanical device and arranged against the material to be isolated M, there is the second transducer TA, produced for example using a stack of piezoelectric discs. The signal S produced by the sensor TC is phase shifted by 180 and possibly reshaped by the circuit Cs, before being applied (signal S ') to the active element TA.
La figure 2b, représente un mode de réalisation d'un empilement de disques piézoélectriques, par exemple deux disques, formant le tranducteur TA. FIG. 2b shows an embodiment of a stack of piezoelectric discs, for example two discs, forming the tranducer TA.
Les deux disques, repérés 21 et 22, sont réalisés en matériau piézoélectrique, tel que céramique PZT (plomb-zircontitanate) ou plastique PVF2 (polyfluorure de vinylidène) ; ils sont chacun recouverts sur leurs grandes faces d'une métallisation (23 et 24 pour le disque 21, 25 et 26 pour le disque 22) formant électrode. Les disques sont montés en parallèle, c'est-à-dire que les électrodes 23 et 25 sont reliées entre elles pour former une borne B1 et les électrodes 24 et 26 sont reliées également entre elles pour former une borne B2. The two discs, marked 21 and 22, are made of piezoelectric material, such as PZT ceramic (lead-zircontitanate) or PVF2 plastic (polyvinylidene fluoride); they are each covered on their large faces with a metallization (23 and 24 for the disc 21, 25 and 26 for the disc 22) forming an electrode. The discs are mounted in parallel, that is to say that the electrodes 23 and 25 are connected together to form a terminal B1 and the electrodes 24 and 26 are also connected together to form a terminal B2.
Le transducteur TC est réalisé par exemple par un seul de ces disques, avec ses métallisations. The TC transducer is produced for example by only one of these discs, with its metallizations.
En fonctionnement, ainsi qu'il est connu, la vibration mécanique à amortir engendre dans le premier transducteur TC une différence de potentiel entre les électrodes du disque, représentative de la vibration. Dans ce mode de réalisation, cette différence de potentiel est appliquée, via le circuit C entre les bornes 1 et 2 de l'empilement actif T entre les bornes B et B de A et engendre à son tour dans le transducteur TA une onde mécanique qui se superpose à la vibration provenant du bâti B. In operation, as is known, the mechanical vibration to be damped generates in the first transducer TC a potential difference between the electrodes of the disc, representative of the vibration. In this embodiment, this potential difference is applied, via circuit C between terminals 1 and 2 of the active stack T between terminals B and B of A and in turn generates in the transducer TA a mechanical wave which is superimposed on the vibration coming from the frame B.
Le matériau formant la couche R et son épaisseur sont choisis pour que le retard qu'il imprime à la vibration qui le traverse compense le temps At et que la vibration se retrouve dans le transducteur TA en opposition de phase avec l'onde qui y est créée sous la commande du signal S', de sorte que la résultante de l'onde et de la vibration soit nulle.The material forming the layer R and its thickness are chosen so that the delay it imparts to the vibration which passes through it compensates for the time At and the vibration is found in the transducer TA in phase opposition with the wave therein. created under the control of the signal S ', so that the result of the wave and the vibration is zero.
L'avantage d'utiliser, pour les deux transducteurs TC et TA, des matériaux piézoélectriques est que le signal électrique produit par l'un (Tc) peut être, après déphasage, appliqué à l'autre (TA). En outre, si on choisit le même matériau pour les deux transducteurs, il est possible de s'affranchir au moins partiellement des dérives dues à la température et au vieillissement. The advantage of using, for the two transducers TC and TA, piezoelectric materials is that the electrical signal produced by one (Tc) can be, after phase shift, applied to the other (TA). In addition, if the same material is chosen for the two transducers, it is possible to at least partially overcome the drifts due to temperature and aging.
La figure 3a, représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, qui utilise un bilame piézoélectrique. FIG. 3a shows a second embodiment of the device according to the invention, which uses a piezoelectric bimetallic strip.
Sur cette figure, vus en coupe, on retrouve le support B du matériel M, par l'intermédiaire du dispositif selon l'invention. In this figure, seen in section, we find the support B of the material M, by means of the device according to the invention.
Le dispositif de l'invention se compose ici d'un bilame piézoélectrique TAB, comportant deux lames piézoélectriques 31 et 32, encastré dans le bâti B et supportant le matériel M. Le bâti B comporte un logement 30 pour l'encastrement du bilame TAB. La surface du logement 30 est recouverte d'une couche du matériau dissipateur D. Enserrés dans la couche D, on trouve successivement, de bas en haut sur la figure : une couche TCl du matériau formant le capteur, une couche R1 du matériau retard, le bilame TAB une deuxième couche R2 du matériau retard et enfin une deuxième couche T02 du matériau formant le capteur.Les deux éléments T01 et TC2 sont par exemple chacun constitué par un disque piézoélectrique et sont interconnectés comme représenté sur la figure 2b ; le signal S est alors disponible entre les bornes B1 et B2. Les couches des éléments Tc, R et
TAB sont disposés de préférence de sorte à être sans contact avec le fond du logement 30 recouvert par le matériau D.The device of the invention here consists of a piezoelectric TAB bimetal strip, comprising two piezoelectric blades 31 and 32, embedded in the frame B and supporting the material M. The frame B comprises a housing 30 for the embedding of the TAB bimetallic strip. The surface of the housing 30 is covered with a layer of the dissipative material D. Enclosed in the layer D, there are successively, from bottom to top in the figure: a layer TC1 of the material forming the sensor, a layer R1 of the delay material, the bimetal strip TAB a second layer R2 of the delay material and finally a second layer T02 of the material forming the sensor. The two elements T01 and TC2 are for example each constituted by a piezoelectric disc and are interconnected as shown in FIG. 2b; signal S is then available between terminals B1 and B2. The layers of the elements Tc, R and
TAB are preferably arranged so as to be without contact with the bottom of the housing 30 covered by the material D.
Le bilame piézoélectrique TAB est constitué par deux lames piézoélectriques superposées 31 et 32, destinées à être polarisée en opposition par le signal fourni par le capteur Tc, après déphasage comme précédemment (par le circuit non représenté sur la figure 3a). Deux montages électriques sont possibles, comme le montrent les figures 3b et 3c. Sur ces figures on retrouve les deux lames 31 et 32 empilées ; on a représenté par des surépaisseurs les électrodes qui s'étendent sur chacune des grandes faces des lames. The piezoelectric bimetal strip TAB consists of two superimposed piezoelectric plates 31 and 32, intended to be polarized in opposition by the signal supplied by the sensor Tc, after phase shift as previously (by the circuit not shown in FIG. 3a). Two electrical assemblies are possible, as shown in Figures 3b and 3c. In these figures we find the two blades 31 and 32 stacked; the electrodes which extend on each of the large faces of the blades have been shown by extra thicknesses.
Sur la figure 3b, les lames sont connectées en série, c'est-à-dire que les électrodes extérieures 33 et 34 des lames 31 et 32 respectivement forment les deux bornes B3 et B4 du bilame. In FIG. 3b, the blades are connected in series, that is to say that the external electrodes 33 and 34 of the blades 31 and 32 respectively form the two terminals B3 and B4 of the bimetallic strip.
Sur la figure 3c, le bilame TAB est représenté de la même manière mais les lames 31 et 32 sont maintenant connectées en parallèle c'est-à-dire que les électrodes extérieures 33 et 34 sont reliées à une même borne B6 du bilame, alors que l'autre borne B5 est reliée aux électrodes internes 35 et 36. In FIG. 3c, the bimetallic strip TAB is represented in the same way but the blades 31 and 32 are now connected in parallel, that is to say that the external electrodes 33 and 34 are connected to the same terminal B6 of the bimetallic strip, then that the other terminal B5 is connected to the internal electrodes 35 and 36.
L'avantage de ce mode de réalisation par rapport au précédent est de permettre, pour un même encombrement, de compenser des vibrations de plus grande amplitude. The advantage of this embodiment compared to the previous one is to allow, for the same size, to compensate for vibrations of greater amplitude.
La figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans ce mode, le matériel à isoler est constitué par une carte de circuit imprimé CI et le bâti support B de cette carte présente deux encoches formant glissière, dont l'une est représentée sur la figure en 40, dans lesquelles la carte de circuit imprimé vient se loger. FIG. 4 represents another embodiment of the device according to the invention. In this mode, the material to be isolated consists of a printed circuit board CI and the support frame B of this card has two notches forming a slide, one of which is shown in the figure at 40, in which the printed circuit board comes to stay.
Selon l'invention, on dispose successivement dans cette glissière 40 : le transducteur TC, destiné à capter la vibration, disposé sur une première face 41 de la glissière ; le matériau retard R, puis le transducteur TA. La carte CI repose sur le transducteur T A et elle est bloquée dans cette position par exemple par un ressort 41, disposé entre la carte
CI et l'autre face 42 de la glissière ; le ressort 41 est par exemple une lamelle métallique en forme de tôle ondulée et fixée à l'une de ses extrémités sur la face 42. De préférence, les éléments Tc, R, TA, 41 sont disposés de sorte à n'être pas en contact avec le fond de la glissière 40.According to the invention, there is successively in this slide 40: the transducer TC, intended to pick up the vibration, disposed on a first face 41 of the slide; the delay material R, then the transducer TA. The CI card rests on the TA transducer and it is locked in this position for example by a spring 41, disposed between the card
CI and the other face 42 of the slide; the spring 41 is for example a metal strip in the form of corrugated sheet and fixed at one of its ends on the face 42. Preferably, the elements Tc, R, TA, 41 are arranged so as not to be in contact with the bottom of the slide 40.
Comme précédemment, le signal (non représenté) détecté par le capteur TC, qui peut être constitué par un disque piézoélectrique comme illustré sur les figures 2, est appliqué après déphasage à l'élément actif TA ; ce dernier peut également être constitué comme illustré sur les figures 2, par un empilement de disques piézoélectriques. As before, the signal (not shown) detected by the sensor TC, which can consist of a piezoelectric disc as illustrated in FIGS. 2, is applied after phase shift to the active element TA; the latter can also be constituted as illustrated in FIGS. 2, by a stack of piezoelectric discs.
Claims (10)
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FR9106934A FR2677415B1 (en) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | ACTIVE MECHANICAL VIBRATION COMPENSATION DEVICE. |
Applications Claiming Priority (1)
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FR9106934A FR2677415B1 (en) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | ACTIVE MECHANICAL VIBRATION COMPENSATION DEVICE. |
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FR2677415A1 true FR2677415A1 (en) | 1992-12-11 |
FR2677415B1 FR2677415B1 (en) | 1995-04-07 |
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ID=9413595
Family Applications (1)
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FR9106934A Expired - Lifetime FR2677415B1 (en) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | ACTIVE MECHANICAL VIBRATION COMPENSATION DEVICE. |
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