2 Bases de l Acoustique et de la Vibration & Métrologie

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1 2 Bases de l Acoustique et de la Vibration & Métrologie

2 L ORIGINE DU SON Une perturbation qui se propage dans un milieu élastique Émission propagation réception Sonique Gaz Supersonique Solide Infra-Sonique dépression dépression Liquide pression Oscillation des molécules d air variation de pression Son Propagation d une onde acoustique Pas de courant d air Page : 2

3 L ORIGINE DU SON Pression atmosphérique: Pascal Pression acoustique: variation allant de 20 micro Pascal à 200 Pascals Pa P 20µPa 200 Pa t L oreille s affranchit de la pression atmosphérique pour mesurer les infimes et rapides variation de pression Le sonomètre est inspiré de l oreille Page : 3

4 L ORIGINE DU SON Définition d un Bruit : Son non souhaité ou déplaisant Variation de la pression atmosphérique: de p 0 = 20 µpa ( Pa) correspondant au seuil d audition humain à p max = 200 Pa correspondant au seuil de douleur et de dommage auditif... Nous avons besoin d une échelle logarithmique: 0 to 140dB (94dB = 1 Pa) pour 2 raisons: Le système auditif humain n a pas de comportement linéaire L échelle logarithmique simplifie les valeurs de niveau => Lp [db] = 10 log (p²/p² 0 ) où p 0 = 20 µpa Page : 4

5 DESCRIPTION D UN SON Amplitude (ou niveau sonore) db M. Alexander Graham Bell Fréquence Durée s Hz Page : 5

6 DESCRIPTION D UN SON : L AMPLITUDE Les Différents Indicateurs : Le Niveau de Pression Acoustique : Lp Lp [db] = 10 log (p²/p²0) où p0 = 20 µpa (seuil d audibilité) Associé à une constante de Temps : Fast : constante intégration 125 ms Slow : constante intégration 1s Impulse : constantes intégration 35 ms montée, 1500 ms en descente Peak : constante intégration 20 à 40 ms montée Page : 6

7 DESCRIPTION D UN SON : L AMPLITUDE Les Différents Indicateurs : Le Niveau Continu Equivalent : Leq (Niveau Energétique Moyen) Leq 2 1 = 10log10( * t t 1 pa (t) dt) 2 p où p0 = 20 µpa (seuil d audibilité) 2 t t 1 2 o Associé à une Durée d intégration Intérêt par rapport au Lp : Simple à mesurer et à calculer sur plusieurs périodes temporelles Page : 7

8 DESCRIPTION D UN SON : L AMPLITUDE Les Différents Indicateurs : Intérêt du Leq par rapport au Lp : Simple à mesurer Il permet d identifier et de quantifier des sources Il peut être recomposé facilement sur n importe quelle durée Calculs Statistiques possibles Page : 8

9 Quelques Règles de calculs ADDITION 60dB + 60dB = 63dB + = + 3dB Page : 9

10 Quelques Règles de calculs EFFET DE MASQUE 70dB + 60dB = 70dB + = Page : 10

11 Quelques Règles de calculs PROPAGATION THEORIQUE Source ponctuelle : 50m : 70dB 100m : 64 db 200m : 58 db Source linéique : 50m : 70 db 100m : 67dB 200m : 64dB Page : 11

12 DESCRIPTION D UN SON : LES FREQUENCES Variation audible: 20 à fois par seconde Le nombre d oscillations par seconde fréquence en Hertz (Hz) Graves Médiums Aigus 200 Hz Hz infra-sons 20 Hz gamme audible Hz ultra-sons Page : 12

13 DESCRIPTION D UN SON : LES FREQUENCES 250Hz 2000Hz - 9dB + 1dB Pondération A Page : 13

14 DESCRIPTION D UN SON : LA DUREE Quel est le point commun entre ces 4 sons? Page : 14

15 L OREILLE Cochlée ou limaçon: - Vibration Impulsion nerveuse - Analyse fréquentielle du son Cellules ciliées L oreille externe, capte les sons L oreille moyenne, transmet une vibration associée aux sons aériens, à: L oreille interne, code l information acoustique en influx nerveux Trois parties fonctionnelles Page : 15

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17 EXEMPLES DE NIVEAUX SONORES Page : 17

18 LA MESURE DU SON La Mesure de Bruit se fait à l aide d un Sonomètre Le sonomètre est composé de plusieurs éléments : Le Microphone Le préamplificateur La partie Traitement du signal : Les filtres L amplificateur Détecteur de Valeur Efficace Constante de Temps L affichage Page : 18

19 LA MESURE DU SON Le Microphone et le Préamplificateur : Voir détails dans «Instruments de mesures de Bruit et de Vibrations - chapitre «Les Capteurs»» Leur fonction est de transformer le bruit en signal électrique Page : 19

20 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Les Détecteurs de Sous-charge et de Surcharge définissent la plage dynamique de mesure (entre 20 et 140 db) Page : 20

21 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Les filtres A, B, C et Z permettent de reproduire notre perception auditive La pondération A correspond à des niveaux faibles à moyens La pondération C correspond à des niveaux élevés de pression acoustique Page : 21

22 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Les filtres fréquentiels : Dispositif électrique ou électronique avec une fréquence de coupure haute et une autre basse. Ils permettent d analyser plus finement la Nature d un Bruit Page : 22

23 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Les filtres fréquentiels : ils permettent d analyser plus finement la Nature d un Bruit La largeur d une Bande d Octave est telle que sa fréquence supérieure est le double de sa fréquence inférieure Page : 23

24 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Dans un sonomètre plusieurs Filtres sont appliqués Chaque filtre correspond à une Fréquence normalisée (1/1 Octave ou 1/3 Octave) Page : 24

25 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : Pour aller plus loin :l Analyse Bandes Fines : FFT La largeur de Bande est constante Page : 25

26 LA MESURE DU SON La Partie Traitement du Signal : L amplificateur : Il permet d amplifier le signal afin de pouvoir faire sa mesure. Il détermine aussi par ses caractéristiques la dynamique de l appareil. Le détecteur de valeur efficace : Il permet de traduire directement une variation linéaire en variation logarithmique. Il permet donc de traduire directement une pression en décibel. La constante de temps : C est un calcul ou un dispositif électronique permettant de moyenner, de lisser un phénomène acoustique et ainsi permettre son analyse même si les variations sont rapides. Page : 26

27 Rappels : Vibrations - Notions de Base Définition des Vibrations selon ISO2041 Une vibration est une variation dans le temps d une valeur caractéristique du mouvement ou d une position d un système mécanique quand cette valeur est alternativement haute et basse par rapport une valeur moyenne ou une valeur de référence Les vibrations sont des phénomènes périodiques ou non périodiques plus ou moins complexes. Page : 27

28 Rappels : Vibrations - Notions de Base Vibration sinusoïdale La plus simple des vibrations est un mouvement sinusoïdale. Par exemple : Une masse excentrée sur un disque +A -A Le signal est de type : X=A.sin(ω.t+φ) Page : 28

29 Rappels : Vibrations - Notions de Base L Amplitude (A) du signal peut être représentée de plusieurs manières mais seulement trois sont ordinairement utilisées pour l analyse vibratoire Amplitude Crête A 0-c Crête à Crête A c-c Efficace (RMS) A rms A 0-c A c-c A rms Pour un signal sinusoïdal: X = A 0-c.sin (ω.t+ϕ) A c-c = 2.A 0-c et A 0-c = 2.A rms L amplitude donne une idée de la grandeur du défaut Page : 29

30 Rappels : Vibrations - Notions de Base La fréquence (F) d un phénomène est le nombre de répétitions (périodes) de ce phénomène en une seconde Fréquence La fréquence est exprimée en Hertz 1 sec. 1 Hz = 1 cycle par seconde Pour un signal sinusoïdal: X = A 0-c.sin(ω.t+ϕ) ω = 2.π.F ω : pulsation (rad/s) Exemple: Pour un moteur électrique à 1500 tr/mn, la fréquence de rotation est égale à 1500/60=25 Hz La fréquence donne des indices sur les origines du défaut. Page : 30

31 Rappels : Vibrations - Notions de Base La période (T) d un phénomène est la durée entre deux passages successifs à la même position et dans la même direction Période La période est exprimée en second (s). T T= 1 F Dans le cas des machines tournantes, la période correspond souvent à la durée d une rotation de l arbre. Page : 31

32 Rappels : Vibrations - Notions de Base Autres sortes vibrations Vibrations Harmoniques Page : 32

33 Rappels : Vibrations - Notions de Base Autres sortes vibrations Vibration Aléatoire, Vibration Transitoire Les amplitudes ne peuvent pas être prévues précisément pour n importe quel instant Page : 33

34 Rappels : Vibrations - Notions de Base Unités usuelles Comme tout mouvement, une vibration peut être étudiée suivant trois grandeurs: Déplacement (mm) Vitesse (m/s) Accélération (g ou m/s²) Il y a des relations mathématiques simples entre ces valeurs. Ces relations sont simples pour des signaux sinusoïdaux purs. L intégration de l Accélération va donner la Vitesse etc. Le choix de la grandeur est important pour la qualité du diagnostic Page : 34

35 A suivre Page : 35