Analyse d'enveloppe pour le suivi vibratoire

L'ANALYSE D'ENVELOPPE

Notions

10- Description:

C'est un outil de traitement du signal très performant pour le suivi vibratoire. Il est important de comprendre que la modulation d'apmlitude des fréquences de défauts primaires peut s'apparaitre lors de l'analyse spactrale de vibrations des roulements et des engrenages. Cependant, parfois, ce phénomène peut être difficile à voir s'il y a de forts signaux périodiques présents en raison d'autres composants ou s'il y a un contenu de bruit élevé.

Une méthode souvent utilisée pour identifier ces fréquences de défaut et leurs bandes latérales consiste à effectuer une analyse d'enveloppe. Comme son nom l'indique, l'analyse d'enveloppe tente de déterminer les extrémités globales d'un signal. En termes analogiques, cela peut être effectué par une simple diode pour fournir un redressement et un filtre passe-bas. Pour les signaux numériques, il existe un certain nombre de méthodes telles que la mise au carré du signal, pour fournir la rectification suivie d'un filtre passe-bas, puis l'application de la racine carré.

Une autre technique adopte la transformée de Hilbert. Cette méthode est utilisée pour calculer un signal complexe à partir du signal réel brut où la composante imaginaire est une copie déphasée du signal réel. Ce signal complexe peut ensuite être filtré passe-bas. La figure 1 montre une partie d'un peigne d'impulsions simulé qui a été modulé et son signal d'enveloppe. Les impulsions se répètent à une fréquence de 75 Hz et la fréquence de modulation est de 10 Hz.


signal de simulation vibratoire
Figure 1. Simulation d'un peigne d'impulsions modulé et son signal d'enveloppe

Le spectre d'enveloppe est formé en effectuant une FFT de l'enveloppe du signal temporel. Ceci est souvent utilisé lorsque le signal vibratoire a un contenu de bruit élevé. Dans la figure 2 ci-dessous, nous voyons le spectre d'enveloppe de notre signal modulé qui montre clairement la composante de 10 Hz coreespondant à la vitesse de rotation, puis la fréquence d'impact (75 Hz) et ses harmoniques avec les bandes latérales. Les bandes latérales sont positionnées à +/- 10 Hz de chacune des harmoniques.


spectre d'enveloppe du signal de simulation
Figure 2. Spectre d'enveloppe à partir du signal modulé

10.1- Démodulation complexe:

Une autre méthode flexible pour effectuer une analyse d'enveloppe est appelée la démodulation complexe. Dans ce procédé, une fréquence ou une bande de fréquences particulière est choisie, puis le contenu fréquentiel du signal est décalé de telle sorte que cette fréquence devient 0 Hz. Le signal résultant est ensuite filtré passe-bas pour produire l'enveloppe du signal. Ceci est illustré schématiquement ci-dessous.


Gamme d'un spectre fréquentiel
Figure 3. Gamme d'un spectre fréquentiel
Gamme décalée d'un spectre fréquentiel
Figure 4. Gamme décalée d'un spectre fréquentiel

La figure 3 montre un spectre de fréquences à une gamme donnée. Nous sélectionnons la fréquence centrale (fC) à partir de laquelle nous voulons effectuer la démodulation. Sur la figure 4, le spectre de fréquences est décalé de telle sorte que (fC) devient maintenant 0Hz. Ce décalage est effectué en multipliant par l'exponentielle complexe: e-iωt
ω=2πfC
Maintenant, nous filtrons le signal par un filtre passe-bas. Le résultat montré sur la figure 5 est un spectre à bande étroite centré sur une fréquence spécifique qui met en évidence les composantes de modulation.


Spectre à bande étroite centré sur une fréquence spécifique
Figure 5. Spectre à bande étroite centré sur une fréquence spécifique

L'approche de démodulation complexe pour l'extraction d'enveloppe et l'analyse ultérieure de sont spectre peuvent être les outils les plus utiles dans le cas de traitement d'un signal très bruité. Tous les roulements ont des fréquences de résonance, généralement à des fréquences beaucoup plus élevées que les fréquences de défauts que nous examinons habituellement. Cependant ces résonances et leurs harmoniques peuvent être excitées par les impulsions de défauts. Dans cette situation, la signature vibratoire sera constituée de la fréquence de résonance modulée par les fréquences de défaut. La démodulation du signal autour de cette fréquence de résonance permet d'observer les fréquences de défaut même dans des signaux très bruyants. Supposons que notre signal modulé en amplitude ait maintenant une grande quantité de bruit ajoutée. Ce bruit a une bande passante de fréquence de 1 KHz. Nous avons également tenté de simuler une résonance à 5Khz en amplifiant le signal impulsionnel modulé dans cette gamme de fréquences. La signature temporelle (figure 6) montre que le bruit domine le signal et que nos impulsions de défaut ne sont plus visibles.


Signal vibratoire bruité
Figure 6. Simulation d'un signal vibratoire bruité

Le spectre fréquentiel de ce signal (figure 7) montrent comment le bruit domine jusqu'à 1 KHz. Cependant, il existe des preuves d'harmoniques du signal d'impulsions à des fréquences plus élevées et d'une légère amplification à notre résonance à 5 KHz.


Spectre du signal vibratoire bruité
Figure 7. Spectre du signal vibratoire bruité

Si nous effectuons une démodulation complexe du signal temporel et choisissons une fréquence centrale de 5 KHz et une bande passante de 500 Hz, puis formons le spectre d'enveloppe, les composants attendus et les bandes latérales redeviennent visibles comme le montre la figure 8.


Spectre d'enveloppe du signal vibratoire bruité
Figure 8. Spectre d'enveloppe du signal vibratoire bruité

Maintenant, nous avons examiné des techniques telles que la démodulation et l'analyse du spectre d'enveloppe. Ces approches de suivi vibratoire sont souvent utilisées pour révéler plus clairement les composants fréquentiels de défauts intégrés dans un signal vibratoire.


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