Vibrométrie laser : mesurer les vibrations depuis le développement du produit jusqu'à l'assurance qualité

Lorsque des matériaux solides sont soumis à une charge mécanique ou à une excitation électrique, ils se déforment et se mettent à osciller plus ou moins fortement. Ces oscillations dépendent de la forme, du matériau, de l'excitation et de nombreux autres facteurs. Pour mesurer et analyser les vibrations sans contact, on utilise des vibromètres laser. Ils sont utilisés pour évaluer différentes variantes de design et optimiser les produits lors du développement. Mais des écarts dans le comportement vibratoire peuvent également indiquer des défauts dans le produit lors de la production.

Domaine d'application de la vibrométrie laser

Lors du contrôle de qualité vibro-acoustique, un vibromètre laser à effet Doppler détecte les vibrations d'objets sans contact et avec précision sur pratiquement toutes les surfaces (photo du haut). Des données de mesure telles que la réponse en fréquence, la fréquence de résonance, la réponse impulsionnelle et les caractéristiques d'amortissement sont obtenues. La mesure optique par lumière laser permet d'obtenir une carte de la répartition des amplitudes des vibrations, et ce sans influencer l'objet à mesurer, par exemple par des contacts ou des charges de masse (comme c'est le cas avec les accéléromètres). Le procédé est adapté à presque toutes les problématiques vibratoires dans la recherche, le développement, la production et la surveillance de l'état ou l'assurance qualité et pour des objets de différentes tailles : des carrosseries entières de voitures, des grandes pièces aéronautiques et aérospatiales, des moteurs et des actionneurs jusqu'aux microcomposants comme les MEMS ou les échantillons biomédicaux et les composants de l'ordre du micromètre. Selon la tâche à accomplir et le modèle de capteur, les vibrations peuvent être détectées jusqu'à la gamme des GHz ou, comme dans le cas du nouveau VibroScan pour le scanning de surface, les fréquences sont enregistrées de manière entièrement numérique jusqu'à 32 MHz.

Optimiser les vibrations souhaitées

Les vibrations ne sont pas partout indésirables. Nous apprécions tous l'alarme vibrante des téléphones portables ou utilisons des brosses à dents électriques. Dans de nombreuses applications, il s'agit de trouver la meilleure conception de produit pour que les vibrations remplissent leur fonction de manière optimale. C'est là qu'interviennent les vibromètres à balayage, qui réalisent une analyse vibratoire surfacique. Dans l'industrie, les applications concernent par exemple les convoyeurs vibrants ou les panneaux de commande et de contrôle. Les installations d'emballage de haute qualité et les procédés d'assemblage industriels qui utilisent des procédés de soudage par ultrasons peuvent également être développés plus rapidement à l'aide d'une analyse des vibrations ou être contrôlés et optimisés en cours de fonctionnement. Une autre application est le "transport vibratoire" de gouttelettes de liquide, par exemple dans l'analyse médicale. Mais l'analyse des vibrations est également une méthode sûre pour développer des produits de haute qualité dans le domaine des biens de consommation : La vibration d'une membrane de haut-parleur, qui assure le son d'une enceinte acoustique, peut être analysée et améliorée. Il existe en outre une multitude d'applications moins évidentes, comme par exemple les ventilateurs, les boîtiers d'ordinateurs, les dispositifs médicaux, et les bruits de structure, et donc les vibrations, jouent également un rôle important dans les installations de fabrication.

Minimiser les vibrations indésirables

Les écarts de vibrations d'un objet par rapport aux valeurs de consigne permettent de tirer des conclusions sur le fonctionnement silencieux des entraînements, les écarts de fabrication dans la production, le début d'usure des roulements et de nombreux autres défauts. La vibrométrie peut être utilisée en ligne pour l'assurance qualité. La condition est que le capteur puisse détecter et évaluer les vibrations rapidement et avec précision et que le système de mesure s'intègre le plus facilement possible dans une installation de production. Les vibromètres de Polytec supportent pour cela différentes interfaces comme COM/DCOM, offrent un langage macro interne et mettent à disposition une API pour la programmation. Les données de mesure sont généralement transmises via TCP/IP Ethernet. Pour une intégration sans problème, Polytec propose également des outils et des exemples complets.

Mesurer les écarts, mais où ?

Lorsque des mesures de vibrations sont utilisées pour le contrôle qualité, des questions se posent : où trouver des points de mesure précis pour une assurance qualité fiable, afin d'identifier les écarts et de minimiser les rebuts ? Sur quelle surface peut-on tirer quelles conclusions à partir des écarts ? Les vibromètres laser Doppler offrent ici de bonnes indications dès le développement de la méthode de test prévue : Il est ainsi possible de trouver dès le développement les meilleurs points de mesure et les meilleures surfaces pour indiquer les propriétés spécifiques ou les défauts éventuels par leur comportement vibratoire. On peut ainsi mesurer à un point d'amplitude maximal significatif, ce qui permet de gagner du temps lors de la mise en service et de garantir des données de qualité pertinentes sur les produits.

Améliorer le rapport signal/bruit

Dans la pratique, les surfaces de mesure sont généralement rugueuses sur le plan optique. La lumière n'est donc pas seulement réfléchie, mais aussi diffusée. Elle contient des zones sombres et claires, appelées speckles. Cet effet entraîne des variations de l'intensité lumineuse au niveau du photodétecteur et, lors des mesures optiques, un bruit à large bande et des coupures de signal indésirables. Il est donc souvent nécessaire d'effectuer plusieurs mesures ou un grand nombre de moyennes pour obtenir un bon résultat. Polytec résout ce problème avec la technologie QTec, qui mise sur plusieurs photodétecteurs et améliore ainsi drastiquement le rapport signal/bruit. Pour cela, les vibromètres QTec utilisent un interféromètre multicanal innovant avec diversité de réception. Il regroupe les meilleures valeurs de mesure provenant de différentes perspectives et les recombine pour obtenir un résultat de mesure cohérent. Chaque détecteur est un observateur du point de mesure avec sa propre perspective et voit son propre motif aléatoire de speckle (image ci-dessous). La combinaison des signaux provenant des détecteurs répartis dans l'espace donne alors automatiquement un niveau de signal statistiquement stable pour chaque mesure individuelle, indépendamment de la surface de mesure. Cette nouvelle méthode permet de réaliser des mesures jusqu'à dix fois plus rapidement, puisqu'une seule mesure suffit et qu'aucune autre moyenne n'est nécessaire.

Nouvelles possibilités de mesure

Pour mesurer des pièces grandes ou petites en un minimum de temps, RoboVib offre^® combine avec VibroScan QTec Xtra 3D une analyse modale expérimentale entièrement automatisée. Le vibromètre à balayage est monté sur un bras robotisé et déplacé sur l'objet, par exemple une carrosserie de véhicule. Cela permet de réduire le temps de contrôle des pièces 3D complexes de plusieurs jours, voire semaines, à quelques heures seulement grâce à des mesures complètes à 360°. Pour les petites pièces, RotoVib^® depuis 2024, l'analyse modale expérimentale du corps entier. Ici, l'objet à mesurer tourne autour de son propre axe sur un plateau tournant. Grâce au repositionnement automatique, l'objet à tester est mesuré automatiquement de tous les côtés. Grâce à la facilité d'installation, les utilisateurs gagnent ici aussi un temps de mesure précieux.

Si, pour certaines applications, il faut mesurer à travers une couche d'eau, la longueur d'onde du laser doit être adaptée au milieu aquatique. Polytec propose pour cela dans son dernier produit VibroScan QTec Neo un laser HeNe dans la tête de mesure, dont la longueur d'onde n'est pas absorbée par l'eau. Ainsi, pour un étalonnage par exemple, les analyses de champs sonores d'hydrophones (microphones sous-marins) ou de composants d'applications médicales à ultrasons peuvent être réalisées sous l'eau aussi facilement que dans l'air. Ici aussi, la technologie QTec réduit drastiquement le temps de mesure grâce à la minimisation des pertes.

Les mesures sur site, par exemple par un prestataire de services, nécessitent en outre des instruments de mesure compacts, faciles à transporter et à installer. Les systèmes VibroScan modernes pour la mesure de surface sont en moyenne environ 50% plus petits que les modèles 1D précédents. L'appareil de mesure peut ainsi être transporté comme bagage, en particulier lors des voyages en avion. La fonctionnalité d'intelligence artificielle est également intégrée dans la mesure des vibrations grâce au logiciel PSV (Polytec Scanning Vibrometer). Cela augmente la convivialité et réduit le temps de configuration pour la mesure, par exemple grâce à la reconnaissance automatique des objets et à la comparaison 3D. Le temps de formation de l'utilisateur s'en trouve également considérablement réduit.

Source et informations complémentaires : Polytec