Conception et modélisation d'un capteur acoustique

1.9 Quelques applications des matériaux piézoélectriques

Nous allons à présent citer quelques applications des matériaux piézoélectriques actuellement développées.

1.9.1 Transformateurs piézoélectriques

Dans un transformateur électromagnétique, l'énergie électrique d'entrée est convertie en énergie magnétique, puis l'énergie magnétique est reconvertie en énergie électrique de sortie. Le transformateur piézoélectrique a un principe de fonctionnement analogue. Il convertit l'énergie électrique d'entrée en une énergie mécanique (i.e. ondes acoustiques) et puis reconvertit l'énergie mécanique en une énergie électrique de sortie [37,60].

Le transformateur piézoélectrique est une combinaison d'un actionneur et d'un transducteur piézoélectriques, qui servent de primaire et de secondaire respectivement comme le montre la figure 1.14. L'actionneur convertit la tension V_e en vibration mécanique, cette dernière est ensuite reconvertie en tension V_s par le transducteur. Le rapport de V_s sur V_e dépend des dimensions géométriques, facteur de couplage électromécanique, facteur de qualité mécanique et la résistance de charge RL .

Electrode de sortie

Actionneur Transducteur

V_s

RL

Electrodes d'entrée

Polarisations

Contraintes

Le transformateur piézoélectrique a plusieurs avantages par rapport au transformateur électromagnétique, tel que le poids et le volume inférieurs, le meilleur isolement et l'absence du bruit électromagnétique.

Fig. 1.14 - Transformateur piézoélectrique « Type de Rosen » [60]

1.9.2 Chaussures piézoélectriques

Le corps humain stocke, dissipe et peut produire une énergie considérable eu égard à la consommation de nos appareils électroniques portables habituels. Il convertit de l'énergie constamment (mouvements, respiration, chaleur...), et on peut considérer qu'il s'agit d'une énergie renouvelable, gratuite, non polluante et de durée de vie élevée (cf. figure 1.15.a). Méme si, bien sûr, une faible part de cette énergie est exploitable, il semble que l'énergie associée aux mouvements du corps humain peut permettre d'approvisionner bon nombre d'applications et de réduire, voire supprimer les problèmes de recharge et de dépendance aux réseaux électriques ou aux piles. Cela requiert de convertir en électricité une partie de l'énergie dépensée, par des moyens à déterminer en fonction des ressources, des solutions technologiques envisageables et des besoins. Les dispositifs piézoélectriques permettent de convertir en électricité l'énergie des mouvements humains [61,62].

La figure 1.15.b montre une chaussure piézoélectrique capable de convertir en électricité l'énergie générée lors de la marche. Deux dispositifs piézoélectriques sont implantés dans la chaussure :

· Un dispositif formé de deux rubans précontraints et incurvés de céramique PZT, placé dans le talon. L'énergie récupérée (charge adapté de 500kg) : 8.4mw.

· Une feuille de PVDF flexible, placée dans la semelle, récupère l'énergie des mouvements de flexion pendant chaque pas. L'énergie récupérée (charge 250kg) : 1.3mW.

Chapitre 1. Principes fondamentaux de la piézoélectricité 26

(b)

(a)

Chaleur humaine 2.4-4.8W
(Tête seulement)

Respiration 0.42W
(0.83W)

Mouvements des
doigts 0.76-2.1mW
(6.9-19mW)

Souffler 0.4W

(0.83W)

Mouvements des

bras 0.33W

(60W) Puissance

fournie

Puissance
Calorifique
consommée

Pouls 0.37W
(0.93W)

Mouvement du
pied 5-8.3W
(67W)

Fig. 1.15 - (a) Quelques valeurs de puissances produites par le corps humain, (b) Implantation du matériel piézoélectrique dans une chaussure et vue d'un convertisseur de remise en forme de la tension [61]