Comprendre les sous-harmoniques
A subharmonique est une composante de fréquence dans un Vibrations spectre qui se produit à une fraction entière de la fréquence de forçage fondamentale. En analyse des machines, cette fréquence fondamentale est presque toujours la vitesse de rotation (1X), de sorte que les sous-harmoniques apparaissent à des ordres tels que 1/2X, 1/3X ou 1/4X. Comme elles se situent ci-dessous en dessous du composant synchrone principal, on les appelle également sous-synchrone les vibrations, et ce sont là parmi les pics les plus utiles sur le plan diagnostique qu'un analyste puisse détecter — elles apparaissent rarement sans une cause physique évidente.
1. Définition : Qu'est-ce qu'un sous-harmonique ?
Alors que les harmoniques sont des multiples entiers de la vitesse de rotation (2X, 3X, 4X), les sous-harmoniques en sont l'inverse : des divisions entières de celle-ci. Un pic exactement à la moitié de la vitesse de l'arbre en est l'exemple classique, souvent noté 1/2X ou 0,5X. Un véritable sous-harmonique se situe donc toujours en dessous de 1X — 0,5X, 0,33X, 0,25X. En pratique, le motif le plus révélateur n'est pas la seule raie 1/2X, mais une famille de demi-ordres — des pics à 1/2X, 3/2X (1,5X) et 5/2X (2,5X), tous espacés d'un demi-ordre. À proprement parler, seul le pic 1/2X est un sous-harmonique et un composant sous-synchrone ; les composantes au-dessus de 1X (1,5X, 2,5X, …) sont des harmoniques d'ordre fractionnaire (demi-ordre), et non des composantes sous-synchrones. L'apparition d'un tel peigne est une signature typique de certains défauts mécaniques précis, et non un simple bruit aléatoire.
Il convient de distinguer une véritable composante sous-harmonique d'une composante sous-synchrone non entière. Un pic situé précisément à 0,50X est une véritable composante sous-harmonique de la vitesse de rotation ; un pic situé, par exemple, à 0,43X est sous-synchrone mais pas une fraction exacte, et cette distinction réduit d'emblée la liste des causes possibles. Les sous-harmoniques ne sont pas aussi courantes que les harmoniques, mais lorsqu'elles apparaissent, elles indiquent presque toujours l'une des causes suivantes.
2. Le jeu mécanique — la cause la plus fréquente
La principale source d'une sous-harmonique de 1/2X est jeu mécanique. Lorsqu'un composant est desserré — qu'il s'agisse d'un roulement qui bouge dans son logement, d'un ajustement usé ou d'un boulon de fixation desserré —, cela provoque une réaction fortement non linéaire, sous forme de « rebonds » ou de « cliquetis ». Le jeu permet à la pièce de heurter son logement, et comme cet impact a tendance à se reproduire pratiquement à chaque autre À chaque tour, le système réagit à la moitié de la fréquence d'excitation.
Le spectre obtenu montre le pic 1X accompagné d'une série de demi-ordres à 1/2X, 3/2X, 5/2X, etc. — le sous-harmonique 1/2X ainsi que ses harmoniques d'ordre fractionnaire au-dessus de 1X. Cette famille de demi-ordres est l'une des signatures les plus fiables du diagnostic vibratoire : elle indique presque sans ambiguïté un jeu structurel important, et son évolution dans le temps traduit la dégradation progressive de l'ajustement. Plus les pics de demi-ordre sont prononcés et nombreux, plus le jeu est important.
3. Instabilité des paliers lisses
Dans les machines fonctionnant sur un film fluide ou paliers lisses, les vibrations subsynchrones constituent un signe avant-coureur critique de l'instabilité du film d'huile. Il s'agit vibrations auto-excitées — l'énergie issue de la rotation régulière alimente directement les vibrations, ce qui leur permet de se développer sans aucune intervention extérieure.
- Tourbillon d'huile: Ce phénomène se produit généralement entre 0,42X et 0,48X de la vitesse de fonctionnement, sous la forme d'un pic net et prononcé situé juste en dessous du demi-ordre. Il survient lorsque le coussin d'huile qui soutient l'arbre commence à circuler (tourbillonner) dans le jeu du palier, entraînant l'arbre autour de son tourillon. Comme il se situe légèrement en dessous de 0,5X plutôt qu'exactement à cette valeur, la fréquence précise est l'indice qui permet de distinguer le tourbillonnement du jeu.
- Fouet à huile : Une forme d'instabilité bien plus grave et destructrice. Elle se produit lorsque la fréquence de tourbillon coïncide avec la première fréquence propre du rotor, ou vitesse critique. La vibration se « verrouille » alors sur cette fréquence propre et y reste même lorsque la vitesse de la machine augmente — une caractéristique qui distingue le fouettement (oil whip) d'un tourbillon lié à la vitesse (oil whirl). Les amplitudes peuvent devenir suffisamment violentes pour endommager le palier ou l'arbre.
Les fréquences des paliers lisses qui encadrent ces instabilités peuvent être estimées à l'avance à l'aide d'un Calculateur de fréquence des défauts des paliers lisses, ce qui permet de vérifier si un pic subsynchrone se situe dans la bande de tourbillon.
4. Autres sources de pics subsynchrones
- Problèmes liés à la transmission par courroie : Une courroie usée ou endommagée peut générer des composantes subsynchrones liées à sa propre vitesse de rotation, qui est inférieure à celle de l'une ou l'autre des poulies. Si l'on soupçonne défauts de la transmission par courroie — et surtout défauts de courroie trapézoïdale — peut être vérifiée par rapport à la fréquence de la courroie calculée à l'aide d'un Calculateur de fréquence des défauts de courroie.
- Effets liés au débit : Dans les pompes et les ventilateurs, l'énergie subsynchrone peut provenir de turbulence de l'écoulement ou un décrochage en rotation. Ces composants sont généralement pas des fractions exactes de 1X, ce qui constitue en soi un indice utile permettant de conclure que la source est d'ordre hydraulique ou aérodynamique plutôt que mécanique. Dans les compresseurs, le phénomène connexe de pompage peut également augmenter le seuil en dessous de la vitesse de fonctionnement.
5. Analyse et confirmation
Comme le diagnostic repose sur de faibles différences de fréquence, la première étape consiste à déterminer avec précision la fréquence du pic. Une raie apparaissant exactement à 0,50X indique fortement un jeu ; une raie à 0,47X correspond presque certainement à un tourbillon d'huile ; une série complète de raies à 1/2X, 3/2X et 5/2X confirme le jeu avec un haut degré de certitude. Une résolution spectrale élevée et une référence de vitesse précise sont donc essentielles, car 0,48X et 0,50X peuvent paraître identiques à basse résolution.
Le forme d'onde temporelle apporte une confirmation précieuse. Un jeu mécanique se traduit généralement par des chocs nets ou une troncature — des pics aplatis ou écrêtés là où la pièce avec jeu vient buter — tandis qu'un tourbillon d'huile se présente sous la forme d'un signal plus régulier et modulé, sans impacts marqués. Sur le terrain, un analyseur portable à deux canaux tel que le Balanset-1A permet à un ingénieur de capturer à la fois le spectre et la courbe de temps synchronisée à la vitesse de fonctionnement, ce qui permet d'évaluer conjointement la fréquence subsynchrone exacte et les caractéristiques de sa courbe avant de programmer tout démontage.
