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

Perret Damien

Description

RESUME : Les objectifs de ce travail de thèse sont, au niveau expérimental, d’élaborer et de caractériser les propriétés vibratoires de matériaux potentiellement intéressants pour la réalisation de résonateurs acoustiques à haut facteur de qualité. D’un point de vue théorique, le but est d’identifier et d’évaluer les mécanismes de dissipation de l’énergie vibratoire dans le domaine des fréquences proches du kHz qui nous intéresse. D’un point de vue expérimental, un dispositif de caractérisation vibratoire a été développé ; il repose sur la détection des modes propres de vibration et la détermination des facteurs de qualité des échantillons mesurés. Le procédé de sustentation sur film de gaz a permis d’élaborer des échantillons en verre de silice de différentes qualités. Nous avons montré que l’amortissement intrinsèque des silices synthétiques est environ d’un ordre de grandeur inférieur à celui des silices naturelles, dans le domaine des fréquences proches de 10 kHz. Une procédure de traitement de surface post-élaboration par attaque chimique a été développée, elle permet d’augmenter de façon importante les facteurs de qualité des échantillons en verre de silice. Les valeurs maximales atteintes pour le facteur de qualité sont 7de l’ordre de 10 pour les silices synthétiques. Afin de comprendre l’origine de ces différents niveaux d’amortissement observés, une série de caractérisations chimiques, optiques et acoustiques a été réalisée. Au niveau théorique, ...

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RESUME :   Les objectifs de ce travail de thèse sont, au niveau expérimental, délaborer et de caractériser les propriétés vibratoires de matériaux potentiellement intéressants pour la réalisation de résonateurs acoustiques à haut facteur de qualité. Dun point de vue théorique, le but est didentifier et dévaluer les mécanismes de dissipation de lénergie vibratoire dans le domaine des fréquences proches du kHz qui nous intéresse. Dun point de vue expérimental, un dispositif de caractérisation vibratoire a été développé ; il repose sur la détection des modes propres de vibration et la détermination des facteurs de qualité des échantillons mesurés. Le procédé de sustentation sur film de gaz a permis délaborer des échantillons en verre de silice de différentes qualités. Nous avons montré que lamortissement intrinsèque des silices synthétiques est environ dun ordre de grandeur inférieur à celui des silices naturelles, dans le domaine des fréquences proches de 10 kHz. Une procédure de traitement de surface post-élaboration par attaque chimique a été développée, elle permet daugmenter de façon importante les facteurs de qualité des échantillons en verre de silice. Les valeurs maximales atteintes pour le facteur de qualité sont de lordre de 10 7 silices synthétiques. Afin de comprendre lorigine de ces différents niveaux damortissement observés, une sériepour les de caractérisations chimiques, optiques et acoustiques a été réalisée. Au niveau théorique, nous avons étudié les processus de dissipation rencontrés dans les matériaux, qui sont à lorigine de lamortissement intrinsèque. Parmi les mécanismes identifiés dans la littérature, nous avons mis en évidence un important critère de sélection des matériaux résonnants : les pertes générées par thermoélasticité. En ce qui concerne les processus de dissipation ayant été peu étudiés dans la littérature, nous avons développé différents modèles théoriques. Les résultats de ces modèles montrent limportance des contraintes internes dans lamortissement intrinsèque. En revanche, la présence dimpuretés à létat de traces ne semble pas avoir dinfluence, au premier ordre, sur la valeur du facteur de qualité. Enfin, les propriétés vibratoires de deux autres familles de matériaux, identifiées comme potentiellement intéressantes, ont également été étudiées. Des échantillons en saphir monocristallin élaborés par la technique du préformage local, et des échantillons en verre métallique Pd-Ni-Cu-P obtenus par fusion en creuset froid et coulée en lingotière, présentent des facteurs de qualité inférieurs à ceux des échantillons en verre de silice.  Mots clés : Dissipation, Résonateur, Facteur de qualité, Amortissement, Frottement interne, Verre, Silice    ABSTRACT :   The objectives of the present work are, from the experimental aspect, the elaboration and the characterization of the vibratory properties of materials, for mechanical resonators with high quality factor (Q) applications. From a theoretical point of view, the aim is the identification and the evaluation of the vibratory energy damping mechanisms in the 10 kHz frequencies range. From the experimental aspect, we developped a vibratory characterisation device which allows detection of the resonant modes and the measurement of Q. We used the gaz-film levitation process in order to elaborate silica glass samples of various qualities. We showed that the intrinsic damping of synthetic silica glasses is about one order of magnitude less compared to natural silica glasses damping in the 10 kHz range. A post-elaboration chemical surface treatment was developped ; the Q values of samples attacked were significantly increased. The highest Q values measured are about 10 7 samples. In order to understand the origin of thefor synthetic glass different damping levels observed, a set of chemical, optical and acoustical characterisations was carried out. From a theoretical point of view, we investigated the dissipation sources leading to internal damping in materials. We showed that thermoelastic damping may be an important criteria for the selection of resonant materials. We also developped theoretical models to evaluate the dissipation mechanisms that have not been clearly identified before. Thus we showed an important relationship between the internal stress level and intrinsic damping. On the other hand, Q values do not seem to be affected by the presence of low concentration impurities. Finally, we also investigated vibratory properties of two other potentially interesting materials: monocrystalline sapphire samples elaborated by the shaping crystal growth technique, and Pd-Ni-Cu-P bulk metallic glasses obtained by fusion in cold crucible and casting. These two materials exhibit lower Q values compared to those measured on silica glass samples.  Keywords : Dissipation, Resonator, Quality Factor, Damping, Internal friction, Glass, Silica