Mesure de vibration: Le guide complet

CONTENu

1. Qu'est-ce que la vibration?
2. D'où viennent les vibrations?
3. Quantification du niveau de vibration
4. Les paramètres de vibration : Accélération, vitesse et déplacement

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MESURE DE VIBRATIONS
PAR BRÜEL & KJÆR

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Qu'est-ce que les vibrations ?

On dit qu'un corps vibre lorsqu'il décrit un mouvement oscillant autour d'une position de référence. Le nombre de fois qu'un cycle de mouvement complet a lieu pendant la période d'une seconde s'appelle la fréquence. Elle est mesurée en hertz (Hz).

Le mouvement peut être constitué d'une seule composante se produisant à une seule fréquence, comme avec un diapason, ou de plusieurs composantes se produisant à différentes fréquences simultanément, par exemple, avec le mouvement du piston d'un moteur à combustion interne.

Les signaux de vibration en pratique consistent généralement en de très nombreuses fréquences se produisant simultanément de sorte que nous ne pouvons pas voir immédiatement en observant simplement le modèle amplitude-temps, combien il y a de composantes et à quelles fréquences elles se produisent.

Ces composantes peuvent être révélées en traçant l'amplitude des vibrations en fonction de la fréquence. La décomposition des signaux de vibration en composantes de fréquence individuelles est appelée analyse de fréquence, une technique qui peut être considérée comme la pierre angulaire des mesures de diagnostic vibratoire. Le graphique montrant le niveau de vibration en fonction de la fréquence est appelé spectrogramme de fréquence ou plus simplement spectre de fréquence.

Lors de l'analyse de fréquence des vibrations de la machine, nous trouvons normalement plusieurs composantes fréquentielles périodiques importantes qui sont directement liées aux mouvements fondamentaux des différentes parties de la machine. Grâce à l'analyse fréquentielle, nous sommes donc en mesure de traquer la source des vibrations indésirables.

 

D'où viennent les vibrations ?

En pratique, il est très difficile d'éviter les vibrations. Elles se produisent généralement en raison des effets dynamiques des tolérances de fabrication, des jeux, du contact de roulement et de frottement entre les pièces de la machine et des forces de déséquilibre dans les éléments rotatifs et alternatifs. Souvent, de petites vibrations insignifiantes peuvent exciter les fréquences de résonance de certaines autres pièces structurelles et être amplifiées devenant ainsi des sources majeures de vibrations et de bruit.

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MESURE DES VIBRATIONS

Parfois, cependant, les vibrations mécaniques effectuent un travail utile. Par exemple, nous générons intentionnellement des vibrations dans les distributeurs de composants électroniques sur une chaîne de fabrication, les compacteurs à béton, les bains de nettoyage à ultrasons, les marteaux perforateurs et les divers engins de battage. Les machines d'essais vibratoires sont largement utilisées pour imposer un niveau contrôlé d'énergie vibratoire aux produits et sous-ensembles lorsqu'il est nécessaire d'examiner leur réponse physique ou fonctionnelle et de vérifier leur résistance aux environnements vibratoires.

Une exigence fondamentale dans tous les travaux de vibration, que ce soit dans la conception de machines qui utilisent leurs énergies ou dans la création et la maintenance de produits mécaniques fonctionnant sans heurts, est la capacité d'obtenir une description précise de la vibration par mesure et analyse.

 

Quantification du niveau de vibration

L'amplitude de vibration est la caractéristique qui décrit la sévérité de la vibration, elle peut être quantifiée de plusieurs manières. Sur le diagramme, la relation entre le niveau de crête à crête, le niveau de crête, le niveau moyen et le niveau efficace (RMS) d'une onde sinusoïdale est indiquée.

La valeur crête à crête est intéressante en ce qu'elle indique l'excursion maximale de l'onde, une quantité utile où, par exemple, le déplacement vibratoire d'une pièce de machine est critique pour des considérations de contrainte maximale ou de jeu mécanique.

La valeur de crête est particulièrement utile pour qualifier le niveau des chocs de courte durée, et autres transitoires. Mais, comme on peut le voir sur le dessin, les valeurs de crête n'indiquent que le niveau maximum qui s'est produit, mais ne prennent pas en compte l'historique temporel de l’onde.

La valeur moyenne rectifiée, d'autre part, prend en compte l'histoire temporelle de l'onde mais est considérée comme d'un intérêt pratique limité car elle n'a aucune relation directe avec une quantité physique utile.

La valeur efficace est la mesure d'amplitude la plus pertinente car elle prend à la fois en compte l'historique temporel de l'onde et donne une valeur d'amplitude directement liée au contenu énergétique, et donc aux capacités destructrices de la vibration.

 

Accélération, vitesse et déplacement

Unités de mesure

Lorsque nous avons regardé le diapason vibrer, nous avons considéré l'amplitude de l'onde comme le déplacement des extrémités des bras du diapason de part et d'autre de leur position de repos. En plus du déplacement, nous pouvons également décrire le mouvement des extrémités des bras du diapason en termes de vitesse et d'accélération. La forme et la période de la vibration restent les mêmes, que soit pris en compte le déplacement, la vitesse ou l'accélération. La principale différence est qu'il existe une différence de phase entre les courbes amplitude-temps des trois paramètres comme indiqué sur le dessin.

Pour les signaux sinusoïdaux, les amplitudes de déplacement, de vitesse et d'accélération sont liées mathématiquement par une fonction de fréquence et de temps représentée graphiquement dans le diagramme. Si la phase est négligée, comme c'est le cas lors des mesures de moyenne temporelle, alors le niveau de vitesse peut être obtenu en divisant le signal d'accélération par un facteur proportionnel à la fréquence, et le déplacement peut être obtenu en divisant le signal d'accélération par un facteur proportionnel au carré de la fréquence. Cette division est effectuée numériquement par l'instrumentation de mesure.

Les paramètres de vibration sont presque universellement mesurés en unités métriques conformément aux exigences ISO ; celles-ci sont indiquées dans le tableau. Cependant, la constante gravitationnelle " g " ou plus rigoureusement l’accélération normalisée " g _n " est encore largement utilisée pour estimer les niveaux d'accélération bien qu'elle soit en dehors du système ISO d'unités cohérentes. Heureusement, un facteur proche de 10 (9,80665) relie les deux unités [MOP1] de sorte que la conversion mentale à moins de 2% est un calcul simple.

Choix des paramètres d'accélération, de vitesse ou de déplacement

En détectant l'accélération vibratoire, nous ne sommes pas liés à ce seul paramètre. Nous pouvons convertir le signal d'accélération en vitesse et en déplacement. La plupart des vibromètres modernes sont équipés pour mesurer les trois paramètres.

Lorsqu'une seule mesure de vibration à large bande de fréquence est effectuée, le choix du paramètre est important si le signal a des composantes incluant plusieurs fréquences. La mesure du déplacement donnera le plus de poids aux composantes basse fréquence, et inversement, les mesures d'accélération pondéreront le niveau vers les composantes de haute fréquence.

L'expérience a montré que la valeur efficace globale de la vitesse de vibration mesurée sur la plage de 10 à 1000 Hz donne la meilleure indication de la sévérité d'une vibration sur les machines tournantes. Une explication possible est qu'un niveau de vitesse donné correspond à un niveau d'énergie donné ; les vibrations à basses et hautes fréquences sont pondérées de manière égale du point de vue de l'énergie vibratoire. En pratique, de nombreuses machines ont un spectre de vitesse relativement plat.

Lors d'une analyse de fréquence à bande étroite, le choix du paramètre ne sera reflété que dans la manière dont l'analyse est inclinée sur l'écran ou l'impression (comme illustré dans le diagramme du milieu sur la page opposée). Ceci nous amène à une considération pratique qui peut influencer le choix du paramètre de représentation. Il est avantageux de sélectionner le paramètre qui donne le spectre de fréquences le plus plat pour utiliser au mieux la plage dynamique de l'instrumentation (la différence entre les valeurs les plus petites et les plus grandes pouvant être mesurées). Pour cette raison, le paramètre de vitesse ou d'accélération est en principe sélectionné à des fins d'analyse de fréquence.

Étant donné que les mesures d'accélération sont pondérées en fonction des composantes de vibration à haute fréquence, ces paramètres ont tendance à être utilisés lorsque la plage de fréquences d'intérêt couvre les hautes fréquences.

La nature des systèmes mécaniques est telle que des déplacements appréciables ne se produisent qu'aux basses fréquences ; par conséquent, les mesures de déplacement ont une valeur limitée dans l'étude générale des vibrations mécaniques. Lorsque de petits jeux entre les éléments de la machine sont l’objet d’étude, le déplacement vibratoire est bien sûr à prendre en considération. Le déplacement est souvent utilisé comme indicateur de déséquilibre dans les pièces de machines tournantes, car des déplacements relativement importants se produisent généralement à la fréquence de rotation de l'arbre, qui est également la fréquence la plus intéressante à des fins d'équilibrage.