Approche expérimentale et étude théorique des mécanismes de dissipation de l'énergie vibratoire.

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Introduction générale Le très faible niveau de dissipation de l’énergie mécanique de vibration présenté par le verre de silice, dans le domaine des fréquences proches du kHz, est connu depuis bien longtemps [Fraser-68]. Une application importante de cette propriété est la réalisation de résonateurs de haute performance, utilisés notamment dans le domaine du Guidage-Navigation pour la fabrication de senseurs inertiels de type vibrant [Loper-83][Pleska-00]. Depuis une vingtaine d’année, la silice amorphe est ainsi le matériau constitutif des dômes de Gyroscope à Résonateur Hémisphérique (GRH) de haute performance. Cependant, si l’ordre de grandeur qu’il est possible d’atteindre dans la pratique pour le facteur de qualité des résonateurs en silice est prévisible [Startin-98][Gretarsson-99][Penn-01][Numata-02], on connaît relativement mal l’influence exacte du matériau et les mécanismes qui sont à l’origine du niveau d’amortissement limite. Il en résulte, d’une part, que les différences de comportement vibratoire observées sur différentes qualités de verres de silice demeurent incomprises, et d’autre part, que l’existence de familles de matériaux présentant un niveau de dissipation intrinsèque équivalent, voire inférieur, à celui de la silice reste un point à éclaircir. Il a en effet été montré que d’autres matériaux, tels que le saphir monocristallin [Bagdasarov-75] ou certains métaux tels l’aluminium et le niobium [Braginsky-85] pouvaient, dans certaines ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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Introduction générale
Le très faible niveau de dissipation de l’énergie mécanique de vibration présenté par le verre de silice, dans le domaine des fréquences proches du kHz, est connu depuis bien longtemps [Fraser-68]. Une application importante de cette propriété est la réalisation de résonateurs de haute performance, utilisés notamment dans le domaine du Guidage-Navigation pour la fabrication de senseurs inertiels de type vibrant [Loper-83][Pleska-00]. Depuis une vingtaine d’année, la silice amorphe est ainsi le matériau constitutif des dômes de Gyroscope à Résonateur Hémisphérique (GRH) de haute performance. Cependant, si l’ordre de grandeur qu’il est possible d’atteindre dans la pratique pour le facteur de qualité des résonateurs en silice est prévisible [Startin-98][Gretarsson-99][Penn-01][Numata-02], on connaît relativement mal l’influence exacte du matériau et les mécanismes qui sont à l’origine du niveau d’amortissement limite. Il en résulte, d’une part, que les différences de comportement vibratoire observées sur différentes qualités de verres de silice demeurent incomprises, et d’autre part, que l’existence de familles de matériaux présentant un niveau de dissipation intrinsèque équivalent, voire inférieur, à celui de la silice reste un point à éclaircir. Il a en effet été montré que d’autres matériaux, tels que le saphir monocristallin [Bagdasarov-75] ou certains métaux tels l’aluminium et le niobium [Braginsky-85] pouvaient, dans certaines conditions expérimentales, présenter des facteurs de 7 qualité très élevés (supérieur à 10 ). Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre plus général d’un contrat entre la Délégation Générale pour l’Armement (DGA), le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) et l’Institut des Sciences Appliquées (INSA) de Lyon. D’un point de vue expérimental, l’objectif de cette étude est d’élaborer et de caractériser les matériaux potentiellement intéressants pour la réalisation de résonateurs acoustiques présentant un amortissement interne très faible. En ce qui concerne l’élaboration des matériaux, deux procédés développés ces dernières années au Laboratoire Elaboration, Solidification et Assemblage du CEA-Grenoble ont été utilisés: la sustentation sur film de gaz
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[Granier-87] pour la mise en forme du verre de silice, et le préformage local [Theodore-98] pour l’élaboration du saphir monocristallin. Afin d’évaluer les propriétés vibratoires des échantillons réalisés, deux dispositifs de caractérisation ont été mis au point, l’un au Laboratoire de Dynamique des Machines et des Structures de l’INSA Lyon dans le cadre de ce travail, et l’autre au Laboratoire de Recherches Balistiques et Aérodynamiques de la DGA. Ces dispositifs permettent la détection des modes propres de vibration et la détermination des facteurs de qualité des échantillons mesurés. Dans le but de comprendre les phénomènes qui limitent les valeurs des facteurs de qualité, différentes caractérisations optiques, chimiques et acoustiques ont été réalisées pour tenter de mettre en évidence des corrélations entre la structure et l’amortissement intrinsèque d’un matériau. D’un point de vue théorique, de nombreux phénomènes de dissipation ont été décrits de façon détaillée dans la littérature. Il est possible d’évaluer l’amortissement généré par certains d’entre eux, et de comprendre ainsi pourquoi certaines familles de matériaux se révèlent plus intéressantes que d’autres pour la réalisation de résonateurs mécaniques à haut facteur de qualité. Cependant, les données de la littérature ne permettent pas toujours d’expliquer les écarts entre les valeurs théoriques et expérimentales. Dans ce cas, il devient nécessaire de développer des modèles théoriques d’évaluation des processus de dissipation n’ayant pas été décrits dans la littérature. Après une présentation générale du cadre de l’étude, dans laquelle nous abordons le principe de fonctionnement du GRH et définissons la notion de facteur de qualité (Chapitre 1), nous décrivons au Chapitre2 les dispositifs expérimentaux utilisés pour l’élaboration des matériaux et la caractérisation vibratoire. L’ensemble des résultats obtenus, en terme d’élaboration et de caractérisation sur les différents matériaux étudiés, est présenté au Chapitre 3. Le Chapitre 4 est consacré à l’interprétation théorique de ces résultats, basée sur les données de la littérature. Concernant les mécanismes de dissipation n’ayant pas été étudiés dans la littérature, nous avons développé différents modèles théoriques qui sont détaillés au Chapitre 5. Enfin, dans le but d’alléger le contenu des cinq chapitres, les protocoles expérimentaux, le détail des calculs de la thermoélasticité ainsi que quelques généralités sur les verres de silice ont été regroupés en Annexe.
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