Comment effectuer une mesure acoustique et vibratoire

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Présentation générale sur les capteurs piézoélectriques (IEPE), l'acoustique et les vibrations

Une vibration se produit quand une masse oscille de façon mécanique par rapport à un point d'équilibre. Un exemple commun de système mécanique vibratoire est un système masse-ressort amorti, montré dans la figure 1. Des vibrations se produisent aussi sur des surfaces, comme les ailes d'un avion ou un gong. Dans la plupart des cas, les vibrations sont indésirées car elles causent une déperdition d'énergie, de la fatigue, du bruit et les systèmes sont généralement conçus pour minimiser ce type de vibrations. Toutefois, des structures vibrantes génèrent des ondes de pression dans l’air ambiant, c’est-à-dire du son, qui peuvent être souhaitées dans le cas d'instruments musicaux.

Figure 1. Système masse-ressort amorti

Le son et les vibrations sont essentiellement des oscillations dans différents médias et de la même façon que des vibrations peuvent créer du son, les ondes acoustiques qui se propagent dans l'air peuvent aussi générer des oscillations sur des matériaux solides. Dans la mesure où la théorie de ces deux phénomènes est corrélée, les mesures acoustiques et vibratoires sont aussi similaires par nature.

Vous pouvez représenter du son et des vibrations sous forme d'oscillations. Les oscillations les plus simples sont des signaux sinusoïdaux exprimés en terme de temps comme, avec la fréquence angulaire ω et la phase φ comme constantes. La fréquence angulaire ω est représentée en radians par seconde (rad/s) et sa relation à la fréquence ƒ (Hz ou s^-1) est définie par l'équation suivante : ω =2πƒ. On parle toujours de fréquence angulaire en corrélation avec une phase φ, qui décrit un décalage de l'onde par rapport à un point de référence spécifié au temps initial t₀, et elle est généralement donnée en degrés ou radians.

Analyse de mesures acoustiques et vibratoires

Dans des applications réelles, les signaux de tension mesurés sont des signaux complexes qui contiennent plusieurs composants de fréquence. Une analyse acoustique et vibratoire comprend généralement l'identification et l'inspection de ces composants de fréquence. Pour ce faire, vous devez convertir les signaux temporels en signaux fréquentiels mathématiquement en utilisant les transformées de Fourier, en Z ou de Laplace. L'analyse de Fourier est la plus commune pour cette application car elle obtient l'amplitude (généralement en décibels ou dB) et la phase associée ω (degrés ou radians) pour chaque composante de fréquence d'un signal.

 

Capteurs IEPE

Des mesures typiques pour effectuer des analyses acoustiques et vibratoires sont les niveaux de pression acoustique et d'accélération, respectivement. Ces mesures utilisent souvent des capteurs comme des accéléromètres (choc et vibration) et des microphones (acoustique).

De nombreux capteurs servant à mesurer l'accélération et la pression reposent sur le principe de la génération piézoélectrique. L'effet piézoélectrique provient de la capacité de la céramique ou des cristaux à quartz à générer une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à des contraintes de compression. Ces contraintes mécaniques sont déclenchées par des forces résultant par exemple de l'accélération, la déformation ou la pression. Dans le cas des microphones, les ondes de pression acoustique font vibrer un diaphragme ou une fine membrane et transfèrent les contraintes dans les cristaux piézoélectriques environnants. Par contre, les accéléromètres contiennent une masse sismique qui applique des forces directement sur les cristaux environnants en réponse à des chocs et des vibrations. La charge électrique générée est proportionnelle aux contraintes internes des cristaux.

Une classe particulière de capteurs piézoélectriques, les capteurs IEPE (Integral Electronic PiezoElectric), intègrent un amplificateur à côté des cristaux piézoélectriques. Comme la charge produite par un transducteur piézoélectrique est très faible, le signal électrique produit par le capteur est sujet au bruit et vous devez utiliser de l'électronique sensible pour amplifier et conditionner le signal et réduire l'impédance de sortie. Les capteurs IEPE constituent l'étape logique d'intégration d'électronique sensible aussi près que possible du transducteur pour assurer une meilleure protection contre le bruit et un conditionnement plus pratique. Un capteur IEPE typique est alimenté par une source de courant constante externe et module sa tension de sortie par rapport à la charge variable sur le cristal piézoélectrique. Le capteur IEPE utilise uniquement un ou deux fils pour l'excitation du capteur (courant) et la sortie du signal (tension).

 

Comment effectuer une mesure acoustique et vibratoire

Les circuits de conditionnement de signal servant à effectuer des mesures acoustiques et vibratoires sont assez simples. Un système typique pour mesurer le niveau de pression acoustique ou l'accélération inclut les composants suivants :

• Capteur
• Source de courant pour exciter le capteur
• Mise à la masse appropriée pour éliminer les perturbations dues au bruit
• Couplage CA pour supprimer les offsets CC du système
• Amplificateur d'instrumentation pour améliorer le niveau du signal du capteur
• Filtre passe-bas pour réduire le bruit et éviter les problèmes de repliement en fréquence dans le système d'acquisition de données
• Circuit échantillonneur-bloqueur pour garantir l’acquisition simultanée de plusieurs signaux.

Comme mentionné dans la section précédente, les mesures acoustiques et vibratoires sont extrêmement sujettes au bruit. Toutefois, vous pouvez réduire cet effet en connectant correctement le système à la masse. Vous pouvez éviter une mise à la masse incorrecte due à des boucles de terre ou des nœuds flottants en vous assurant que, soit l'entrée de conditionnement de signal, soit le capteur, est mis à la masse, mais pas les deux. Si le capteur est mis à la masse, vous devez le connecter de manière différentielle. Si le capteur est flottant, vous devez connecter l'entrée (négative) du système de conditionnement de signal à la masse.

Le signal acquis à partir du capteur comprend les composantes CC et CA, où la partie CC subit un offset par rapport à la partie CA à partir de zéro. Le couplage CA supprime l'offset CC dans le système au moyen d'un condensateur en série avec le signal. Un système de capteur couplé CA élimine la dérive CC à long terme qui se produit dans les capteurs suite aux effets du vieillissement et de la température, augmentant considérablement la résolution et la gamme dynamique utilisable du système.

 

Pour des mesures précises, la fréquence d'échantillonnage du système doit correspondre à au moins deux fois la fréquence maximale des signaux acquis. Pour vous assurer que vous échantillonnez la bonne gamme de fréquences, ajoutez un filtre passe-bas avant l'échantillonneur et le convertisseur analogique/numérique. Ceci assure que vous atténuez le bruit à plus haute fréquence et que tout composant supérieur à la moitié de la fréquence d'échantillonnage n'altère pas la mesure.

 

Connexion de votre capteur à un instrument

Prenons comme exemple le module NI 9234 de la série C qui est conçu pour les mesures d'accéléromètres et de microphones (voir Figure 2). Le module NI 9234 peut échantillonner simultanément quatre entrées analogiques à 51,2 kéch./s tout en offrant du conditionnement de signal IEPE sélectionnable par logiciel, du couplage CA/CC et du filtrage antirepliement.

 

Figure 2. Module NI 9234 de la série C avec un châssis NI CompactDAQ

 

Le module possède quatre connecteurs BNC qui peuvent être chacun connectés à un capteur IEPE (voir Figure 3). La broche centrale du connecteur, AI+, fournit l'excitation CC et la connexion au signal CA. L'enveloppe du connecteur, AI–, fournit le chemin de retour de l'excitation et la référence à la masse du signal CA.

 

Figure 3. Affectation des connecteurs BNC du module NI 9234

 

Un capteur IEPE nécessite un câble et/ou un connecteur approprié pour être connecté aux entrées BNC du module de la série C. Les accéléromètres triaxiaux sont dotés de trois sorties, un axe correspond à une voie d'acquisition, chacune nécessitant son propre conditionnement de signal.

 

Vous pouvez connecter à la fois des capteurs IEPE flottants ou référencés à la masse au module NI 9234 mais vous devez utiliser une connexion flottante pour éviter de capter du bruit. Les capteurs IEPE types sont dotés d'un boîtier isolé électriquement de l'électronique IEPE. De ce fait, connecter le capteur au module NI 9234 crée une connexion flottante même si le boîtier du capteur est mis à la masse.

 

Visualisation des mesures : NI LabVIEW

Une fois que vous avez configuré le système correctement, vous pouvez acquérir et visualiser les données en utilisant l'environnement de programmation graphique LabVIEW (voir Figure 4).

Dans le logiciel, vous pouvez convertir la tension acquise en données de fréquence via des fonctions d'analyse spectrale (du domaine fréquentiel). Un exemple simple est une transformée de Fourier rapide ou FFT. Vous pouvez effectuer du traitement logiciel plus avancé des données en utilisant l'un des outils développés par National Instruments, comme la suite NI Sound and Vibration Measurement.

Figure 4. Spectre de puissance avec le toolkit NI Sound and Vibration

 

Matériels et logiciels recommandés

• Exemple de système Sound and Vibration Measurement
• NI CompactDAQ : vidéo de trois minutes 
• Embarquez pour une visite virtuelle de NI CompactDAQ
• Découvrez et testez gratuitement le logiciel LabVIEW

 

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