Utilisation des marteaux d'impact

La fonction de transfert d’un système mécanique décrit son comportement dynamique en réponse à un stimulus (excitation). 

Il existe six fonctions de transfert principales utilisées pour l’analyse des systèmes mécaniques :

• La masse dynamique (Force/Accélération)

• L’impédance mécanique (Force/Vitesse)

• La raideur dynamique (Force/Déplacement)

• L’élasticité (Déplacement/Force)

• L’ « accélérance » (Accélération/Force)

(Remarquer que chacune de ces fonctions de transfert est elle-même fonction de la Force).

Chaque fonction de transfert décrit le comportement dynamique du système mécanique de différentes manières et chacune implique une relation particulière entre la réponse en sortie et le stimulus d’entrée. La réponse peut être mesurée facilement avec des accéléromètres disposés à des points particuliers de la structure sollicitée. Des analyseurs de spectre déterminent de manière instantanée le nécessaire rapport mathématique existant entre l’entrée et la sortie et donc, la fonction de transfert recherchée.

Le stimulus d’entrée (la fonction d’excitation) peut être appliqué à la structure de différentes manières. Une façon simple pour exciter la structure est d’utiliser un vibrateur hydraulique ou électrodynamique. Un capteur de force placé sur l’axe de sollicitation peut être utilisé pour définir l’amplitude de la force d’entrée ainsi qu’un générateur de signaux contrôlant la fréquence. Si l’objet à tester est trop grand pour que ce mode de sollicitation soit envisageable ou, s’il est impossible physiquement de le solliciter de la sorte, une autre méthode est à considérer.

Une méthode alternative pour exciter la structure sans les contraintes et le coût des systèmes de vibrations consiste à frapper cette dernière avec un marteau d’impact dynamique calibré. Un capteur de force placé dans la tête du marteau transforme la force appliquée en un signal analogique contenant les informations d’amplitude et de phase nécessaires pour décrire de manière complète la fonction d’entrée. La raideur de l’impact sur la matière aide à déterminer le contenu fréquentiel de la fonction d’entrée en contrôlant sa durée d’impulsion d’impact. En définissant la fréquence et l’amplitude de la fonction d’entrée, les marteaux d’impact permettent une sollicitation rapide et simple des structures, et ce d’une manière parfaitement définie.

Les analyseurs de spectres associés aux systèmes d’impact (avec des accéléromètres) peuvent afficher instantanément les fonctions de transfert, simplifiant considérablement l’essai et économisant des heures de travail. Une branche de l’analyse des systèmes mécaniques appelée Analyse Modale, utilise des logiciels évolués qui synthétisent les différentes réponses fréquentielles pour décrire en détail chaque mode propre (résonance et anti-résonance) de la structure.

Le marteau d’impact

Le marteau d’impact dynamique a deux impératifs :

1. Exciter la structure d’essai avec une force constante dans la gamme de fréquence recherchée.

2. Générer une impulsion de tension analogique qui doit être la représentation exacte de l’impact d’entrée (F,t), à la fois en amplitude et en phase.

Un marteau d’impact piézoélectrique est constitué d’une tête fixe contenant un capteur de force, d’un manche avec une poignée en caoutchouc, des extensions interchangeables pour la tête ainsi que différents embouts d’impact (acier, aluminium, plastique dur ou souple).

La figure 1 illustre le principe général d’un marteau fabriqué par Dytran, le modèle 5800B de la gamme des Dynapulse TM

Les marteaux d’impact DynapulseTM de Dytran utilisent un capteur de force à quartz qui compense l’accélération. Cette technologie exclusive permet d’éviter que la résonance propre du marteau produise un pulse parasite de mesure sur le signal de sortie. L’importante rigidité du capteur de force associée à une compensation de l’accélération génère un signal de mesure propre et lisse, qui est l’exacte représentation de la fonction d’entrée, à la fois en amplitude et en phase.

Le capteur de force alimenté en mode tension (Low Impedance Voltage Mode) est monté de manière permanente sur la tête du marteau, les connexions électriques passant au travers de la tête et du manche, pour se terminer par une connexion BNC à l’extrémité du manche. Ce concept rationnel et pratique est une innovation de Dytran, qui s’est par la suite généralisé dans l’industrie.

Réglage de l’impulsion de force

Comme les structures testées varient fortement en termes de taille, de masse et de réponse dynamique, des niveaux de forces de différentes caractéristiques sont nécessaires pour une excitation adaptée. Par exemple, des objets de faible masse auront des réponses en fréquence élevées, qui nécessiteront une excitation en hautes fréquences avec une force appliquée faible. Des structures plus lourdes avec des réponses en fréquence (résonance) plus basses nécessitent une excitation plus basse fréquence avec des niveaux de force appliquée plus élevés. 

En utilisant ces recommandations, l’utilisateur peut combiner diverses extensions de la tête (qui modifieront la masse de la tête du marteau) ainsi que différents embouts pour générer des formes d’impulsion différentes. Un analyseur de spectre est généralement utilisé pour vérifier le spectre de force généré avec les divers embouts et têtes d'extension.

L’analyse de Fourier montre qu’une impulsion avec un front de montée rapide et une courte durée contient les fréquences les plus élevées. Des embouts métalliques (aluminium ou acier) sans tête d’extension qui produisent un rebond très bref afin d’avoir un contenu fréquentiel le plus élevé, sont donc à utiliser.

La Figure 2 présente un résultat typique de mesure réalisé par un marteau Dytran 5800B et vu par un analyseur de spectre.

Pour diminuer le contenu hautes fréquences de la source d’excitation, augmenter l’inertie de la tête en ajoutant la tête d’extension et utiliser un embout souple pour augmenter le temps de monté et la durée d’impulsion. Ceci réduira le contenu fréquentiel de l’excitation.

La figure 5 est un agrandissement du signal temporel de l’impulsion généré par un 5801B utilisant un embout en plastique dur sans tête d’extension. La durée de l’impulsion est de 0,640 Sec.

La figure 6 est un agrandissement du signal temporel de l’impulsion avec une masse additionnelle avec le même marteau. A remarquer que la durée de l’impulsion s’est allongée. 

Des courbes de cohérence permettent à l’utilisateur de vérifier si la structure est correctement excitée dans la gamme de fréquence recherchée. Des embouts et des têtes d’extensions variés peuvent se substituer pour atteindre une excitation proche de l’optimum. 

Instrumentation complète d’un essai

La figure 7 montre comment un système de marteau d’impact peut être associé à un analyseur de spectre. En complément, un ordinateur peut être relié à l’analyseur de spectre pour réaliser une analyse modale, grâce à un logiciel adapté prenant en compte la réponse fréquentielle de la structure. 

Choix du marteau

Tous les marteaux Dytran comportent un amplificateur incorporé pour amplifier le signal et réduire l’impédance de sortie. Les marteaux peuvent être commandés de manière indépendante ou en kit, chaque kit comprenant des accéléromètres, des alimentations électriques, des câbles, plusieurs embouts et têtes d’extension. La gamme de produits Dytran comprend sept configurations de marteaux différents : du minuscule 5800 SL au grand marteau 5803A de 5,5 kg,, et permet d’exciter une large variété d’objets et de structures, de la plus petite pale de turbine aux ponts à haubans. Chaque marteau est livré avec un certificat d’étalonnage délivré par le NIST, sans coût additionnel.

Les descriptions suivantes vous aideront à déterminer le marteau le mieux adapté à l’application :

Modèle 5800SL: Ce marteau miniature “Super léger” a été conçu pour exciter des structures très fines tels que les pales de turbines ou les têtes de disques durs. Le modèle 5800SL a un embout de raideur très élevée et une tête de faible masse, ce qui le rend idéal pour une excitation haute fréquence des petites structures. Une tête d’extension amovible est fournie avec chaque instrument. L’embout en acier dur, est fixe. La sensibilité est de 100 mV/lbf (20 mV/N)

Modèle 5800B: Premier marteau de la gamme Dynapulse TM, le modèle 5800B a une masse de 100 grammes au niveau de la tête, est disponible dans cinq gammes de force, de 10 à 1000 lbf (50 à 5 000 N) pleine échelle. Des embouts interchangeables et une tête d’extension de 40 grammes sont fournis. Une compensation de l’accélération assure un spectre en fréquence lisse sans anomalie. Ce marteau est recommandé pour des applications générales telles que le contrôle des cages de roulements, frein de rotor, poutre en I, plaques et autres machines ou structures. 

Modèle 5801B: Ce marteau d’usage général est disponible en trois gammes de force, 500, 1000 et 5000 lbf (250,2500 et 25 000 N). Le modèle 5801B possède une tête de 150 grammes qui peut être alourdie jusqu’à 210 ou 270 selon tête d’extension. Ce marteau est recommandé pour les blocs moteurs, les châssis de voitures, les cellules d’avions, les machines outils, etc.

Modèle 5850B: Le marteau breveté “multi gammes” par Dynapulse TM offre une grande souplesse aux laboratoires de vibrations où des structures de taille et de poids variés sont à tester. Un interrupteur à trois positions situé sur le manche permet à l’utilisateur de sélectionner la sensibilité entre 1,10 et 100 mV/lbf 0,2, 2 et 20 mV/N). L’interrupteur sélectionne trois capacités de valeurs différentes pour modifier la sensibilité et ce, sans gain électrique complémentaire, assurant ainsi un niveau de bruit identique pour les trois gammes. La compensation de l’accélération assure un spectre en fréquence lisse sans anomalie. Ce marteau est fourni avec trois embouts et deux têtes d’extension pour ajuster l’impact. La gamme de mesure dynamique très large de ce marteau permet une excitation adéquate d’une multitude de structure.

Modèle 5802A : Ce marteau de 1,4 kg dispose de 4 embouts plastique de différentes raideurs et peut être utilisé pour exciter des blocs de béton, des bacs de stockages, des pipe-lines, des tours, etc.

Modèle 5803A : Le plus lourd marteau de la gamme Dytran. Ce marteau à main de 5,4 kg est utilisé pour faire vibrer des buildings, des ponts, des barrages et des fondations.

Modèle 5805A : C’est le plus léger des marteaux à main (450 grammes) conçu pour une utilisation sur des structures plus petites que celles du 5802A (1,4 kg).

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