Comprendre la fréquence dans l'analyse des vibrations
Fréquence est une mesure de la fréquence à laquelle un événement répétitif se produit au cours d'une unité de temps donnée — en analyse des vibrations, elle permet de quantifier la vitesse à laquelle un objet oscille. C'est le paramètre le plus important pour déterminer la cause première d'un problème sur une machine. Alors que amplitude tells you the sévérité Dans le cas d'une vibration, la fréquence indique la source. Si vous mesurez l'amplitude, vous savez quelle est la gravité du problème ; si vous mesurez la fréquence, vous savez de quel problème il s'agit.
1. Définition : qu'est-ce que la fréquence de vibration ?
La fréquence décrit la vitesse d'un mouvement cyclique, c'est-à-dire le nombre de cycles d'oscillation complets effectués par une pièce en vibration par unité de temps. Un rotor tournant à 1 800 tr/min effectue trente tours par seconde ; la force qu'il génère à chaque tour se répète donc trente fois par seconde. Chaque composante périodique présente au cœur d'une machine forme d'onde temporelle a sa propre fréquence, et la séparation de ces composantes est à la base de tout travail de diagnostic.
Il est essentiel de noter que la fréquence est indépendante de l'amplitude. Une vibration peut être violente ou à peine perceptible tout en ayant exactement la même fréquence ; ce qui change lorsqu'une faille s'agrandit, c'est généralement l'amplitude, tandis que la fréquence reste liée au mécanisme physique qui la produit. C'est précisément cette stabilité qui fait de la fréquence une signature si fiable.
2. La valeur diagnostique de la fréquence
Le principe fondamental de diagnostic des vibrations En effet, lorsque certains composants mécaniques et électriques commencent à présenter des défaillances, ils génèrent des vibrations à des fréquences spécifiques et prévisibles. En identifiant les fréquences présentes dans la signature vibratoire d’une machine — ainsi que l’intensité de chacune d’entre elles —, un analyste peut déterminer avec précision le composant à l’origine du problème. Ce principe s’apparente étroitement à la manière dont un médecin utilise un stéthoscope pour détecter les bruits particuliers qui trahissent différentes pathologies.
Chaque défaut potentiel présente une signature de fréquence caractéristique :
- Déséquilibrer: un problème au niveau de l'ensemble du groupe motopropulseur, tel que déséquilibrer, apparaît à la fréquence de rotation de l'arbre — 1× vitesse de fonctionnement.
- Désalignement : un problème au niveau de l'accouplement entre deux arbres, par exemple désalignement, apparaît généralement à une vitesse deux fois supérieure à celle de la course (2×), souvent avec un relief 3×.
- Défauts de roulement : un défaut sur un roulement à éléments roulants génère un nombre non entier fréquences de défaut des roulements déterminée par la géométrie de la cage et des billes ainsi que par la vitesse de rotation de l'arbre.
- Problèmes d'engrenage : l'engrènement des dents génère de l'énergie au niveau de fréquence d'engrènement (GMF) — le nombre de dents multiplié par la vitesse de l'engrenage — souvent accompagné de bandes latérales.
Comme ces signatures se recoupent rarement, un seul spectre bien défini permet de distinguer un déséquilibre d'un désalignement ou d'un roulement défaillant sans avoir à ouvrir la machine.
3. Les unités de fréquence
La fréquence s'exprime en plusieurs unités, et un analyste en activité doit les maîtriser toutes.
Hertz (Hz)
L'unité internationale (SI). Un hertz équivaut à un cycle par seconde. Il s'agit de la norme dans le domaine scientifique et pour la plupart des instruments, et c'est l'unité utilisée sur l'axe des fréquences d'une FFT.
Cycles par minute (CPM)
Largement utilisé dans la maintenance industrielle car il est directement lié à la vitesse de rotation, qui s'exprime en tours par minute (tr/min). Une minute comptant 60 secondes, la conversion est simplement CPM = Hz × 60. Une vibration à 30 Hz correspond donc à 1 800 CPM — et sur une machine tournant à 1 800 tr/min, ce pic coïncide exactement avec la vitesse de rotation, ce qui est souvent plus facile à identifier en CPM qu'en Hz.
Commandes
Les ordres sont des multiples de la vitesse de rotation de la machine : la vitesse de rotation correspond au 1er ordre, le double de cette vitesse au 2e ordre, et ainsi de suite. L'avantage est que les ordres restent constants même lorsque la machine change de vitesse : le déséquilibre se situe toujours au 1er ordre, que l'arbre tourne à 900 ou à 3 600 tr/min, tandis que sa fréquence en Hz varie. Cela rend les ordres indispensables pour les équipements à vitesse variable et constitue la base de analyse des commandes. A free Calculateur de fréquence harmonique convertit un RPM en ses fréquences comprises entre 1× et 10× en une seule étape, et un Convertisseur d'unités de vibration se charge de la comptabilité Hz–CPM.
4. Comment la fréquence est-elle déterminée ?
Les fréquences contenues dans un signal vibratoire sont extraites à l'aide de la Transformée de Fourier rapide (FFT). An accéléromètre capture la forme d'onde brute du temps, et l'algorithme FFT la décompose en une spectre de fréquences — un graphique qui représente chacune des fréquences composant la vibration complexe, la hauteur de chaque pic indiquant la quantité d'énergie présente à ce niveau. L'analyste met ensuite ces pics en correspondance avec les signatures de défauts mentionnées ci-dessus. Sur le terrain, un appareil portable à deux canaux tel que le Balanset-1A effectue cette FFT en temps réel, en mesurant des spectres allant d'environ 5 Hz à 1 000 Hz, ce qui permet de lire directement sur la machine le pic correspondant à la vitesse de rotation et ses harmoniques, l'impulsion du tachymètre (émise une fois par tour) permettant d'identifier précisément quel pic correspond à la fréquence de base (1×).
5. La relation entre la fréquence, la vitesse et l'accélération
Pour un niveau donné d'énergie vibratoire, les amplitudes de déplacement, vitesse, et accélération dépendent fortement de la fréquence, c'est pourquoi chaque unité couvre une bande différente :
- Basses fréquences : Le déplacement est le plus important ; c'est donc l'unité qui s'impose pour les mouvements lents de l'arbre.
- Fréquences moyennes : la vitesse est la plus élevée et la plus régulière, c'est pourquoi sévérité de vibration des normes telles que ISO 20816 (la norme moderne qui succède à la norme ISO 10816) évalue l'état général de la machine en termes de vitesse en mm/s.
- Hautes fréquences : c'est là que l'accélération est la plus forte, ce qui en fait l'unité de prédilection pour les harmoniques des roulements et des engrenages.
Choisir une unité inadaptée à une bande de fréquences peut masquer un véritable défaut dans le bruit de fond ; choisir la bonne unité permet, au contraire, de faire ressortir ce même défaut avec une clarté saisissante. Vu sous cet angle, la fréquence est la clé qui permet d'exploiter pleinement le potentiel diagnostique de l'analyse des vibrations, en transformant un signal brut et confus en informations exploitables pour la maintenance.
