Vibromètre laser

Vibromètre laser

Un vibromètre laser est un capteur de mesure de vibrations sans contact. Il est constitué d'une source de lumière monochromatique (laser) et dun interféromètre (interféromètre de Mach-Zehnder), permettant de mesurer l'effet Doppler à la vibration entre le signal émis et le signal réfléchi. De cette interférométrie entre les 2 signaux, la fréquence et la phase de la vibration pourront en être déduite.

Le vibromètre laser (ou LDV : Laser Doppler Vibrometer) utilise le principe de leffet Doppler et fonctionne sans contact. Il est donc particulièrement adapté pour mesurer des vibrations, ou des méthodes alternatives (accéléromètres) atteignent leurs limites ou ne peuvent tout simplement pas être utilisées. A titre dexemple, les mesures de vibrations à la surface de matériaux liquides, sur structures extrêmement petites (MEMS) ou légères (membranes de haut-parleurs) se font donc très facilement en utilisant un vibromètre laser, et ce jusquau GHz. De plus le calibrage des accéléromètres peut être réalisé en utilisant un vibromètre laser.

Sommaire

Principe

Leffet Doppler

Chacun a déjà expérimenté le principe de leffet Doppler, caché derrière un vibromètre laser, quand par exemple la tonalité dun véhicule change en passant devant un observateur situé sur le bord dune autoroute. La fréquence perçue (pitch) change alors et lon a cette impression de glissement dun son aigu à un son plus grave. Par analogie, si une onde acoustique est réfléchie par un objet vibrant et détectée par le système de mesure que constitue le vibromètre laser, le glissement en fréquence (ou fréquence Doppler) de londe peut être décrite par :

 f_D = \frac {2v}{\lambda}

v est la vélocité de lobjet vibrant et \lambda est la longueur donde émise.

Linterféromètre

Le vibromètre laser Doppler fonctionne sur le principe de linterférence optique, nécessitant deux faisceaux lumineux cohérents et leur intensité lumineuse respective I1 et I2 interférant. Lintensité résultante nest pas seulement la somme des deux intensités, mais est modulé selon la formule :

I_t = I_1 + I_2 + 2 \sqrt{I_1 I_2} \cos \left(\frac{2\pi(r_1-r_2)}{\lambda}\right)

Le terme dinterférence, apparaissant dans la formule, relate la différence de longueur entre les chemins lumineux des deux faisceaux. Si cette différence est un entier multiple de la longueur donde du laser, lintensité totale est égale à quatre fois lintensité I1. De même, lintensité totale est égale à zéro si les deux faisceaux ont une différence de longueur de chemin optique égal à une demi-longueur donde. Ceci résulte en des interférences constructives ou destructives. La figure 1 montre comment la loi physique est exploitée dans un vibromètre laser.

Le faisceau dun laser Hélium-Néon[1] est séparé par le séparateur de faisceau BS1, en un faisceau de référence et un faisceau de mesure. Après être passé au travers dun deuxième séparateur BS2, le faisceau de mesure est envoyé sur lobjet vibrant sous étude, qui va alors le réfléchir. Le faisceau réfléchi est maintenant dévié par le séparateur BS2, puis fusionné au faisceau de référence par le troisième séparateur BS3 et enfin dirigé vers détecteur. Etant donné que la longueur du chemin optique est constante à travers le temps (à lexception deffets thermiques négligeables sur linterféromètre: r2 = constant, un mouvement de lobjet sous étude (r1 = r(t)) générera des franges dinterférences « clairessombres » au niveau du détecteur : schéma typique dun interféromètre. Un cycle complet « sombreclair » sur le détecteur correspond à un déplacement dexactement une demi-longueur donde de la lumière utilisé. Dans le cas dun tube laser Hélium-Néon, utilisé presque exclusivement pour les vibromètres, cela correspond à un déplacement de 316 nm. Par conséquent la modulation en fréquence du schéma dinterférences déterminé est directement proportionnelle à la vélocité de lobjet. Il faut cependant considérer que les vibrations en direction de linterféromètre génèrent exactement les mêmes schémas dinterférence que les vibrations séloignant de linterféromètre. Cette configuration ne peut donc déterminer la direction des vibrations ; Pour cette raison, un modulateur opto-acoustique (cellule de Bragg) est placé au niveau du faisceau de référence, lequel module alors londe lumineuse de 40 MHz (en comparaison la fréquence de la lumière laser est 4,74e14 Hz). Cela génère ainsi une modulation des franges dinterférences de 40 MHz, quand lobjet est au repos. Si lobjet se déplace en direction de linterféromètre, la modulation de fréquence est réduite ; et à lopposé, si lobjet séloigne du vibromètre, le détecteur reçoit une fréquence supérieure à 40 MHz. Cela signifie quil est maintenant possible, non seulement de détecter lamplitude du mouvement, mais aussi déterminer précisément la direction de cette vibration.

Déplacement ou vitesse ?

En principe, le LDV peut mesurer directement le déplacement ainsi que la vitesse de vibrations. Dans le cas du déplacement, la fréquence Doppler nest pas transformée en tension directement proportionnelle à la vélocité ; à la place le LDV compte les franges dinterférences « sombres-claires » sur le détecteur. En utilisant cette technique dinterpolation et une démodulation digitale, certains vibromètres lasers peuvent atteindre une résolution inférieure au picomètre ! La démodulation en déplacement est plus adaptée pour les mesures basses fréquences et la démodulation en vitesse est préférable pour les hautes fréquences. En effet lorsque sa fréquence augmente, une certaine vibration génère de plus hautes vitesses pour de plus faibles déplacements :

v = 2fs

Exemples dapplication

Les vibromètres laser Doppler [LDV] sont utilisés pour de nombreuses applications scientifiques, industrielles et médicales. Quelques exemples sont indiqués ci-dessous :

  • Aerospatiale/ inspection non-destructive de composants davion[2].
  • Acoustique/ design de haut-parleurs, diagnostic de la performance musicale dinstruments[3].
  • Automobile/ , tests dynamiques de structures, analyse modale de disque de frein, quantification NVH (Noise and Vibration Harshness)[4]...
  • Biologie/ diagnostic de tympans auditifs[5], analyse des systèmes de communication insectes[6]...
  • Calibration daccéléromètres[7].
  • Diagnostic et détection de défauts sur disque dur, positionnement de têtes de lecture[8].
  • Détection de mines. Technique utilisant une source acoustique pour lexcitation du sol et un LDV pour la mesure de la réponse en vibrations[9],[10],[11].

En savoir plus

Références

  1. Polytec France
  2. Kilpatrick, James M. and Markov, Vladimir, « Matrix laser vibrometer for transient modal imaging and rapid nondestructive », 8th International Conference on Vibration Measurements by Laser Techniques, SPIE 7098, Ancona, Italy (2008)
  3. Bissinger, George. and Oliver, David, « 3-D Laser Vibrometry on Legendary Old Italian Violins », Sound and Vibration, July 2007
  4. http://www.polytec.com/usa/158_2081.asp
  5. Huber, Alexander M, « Evaluation of Eardrum Laser Doppler Interferometry as a Diagnostic Tool », Journal of Comparative Physiology A 111(3):501-507, March 2001
  6. Fonseca, P.J. and Popov, A.V., "Sound radiation in a cicada: the role of different structures," Volume 175, Number 3, September, 1994, p. 349-361
  7. Sutton, C. M., Accelerometer Calibration by Dynamic Position Measurement Using Heterodyne Laser Interferometry, Metrologia 27, 133-138, 1990
  8. Mamun, A.A. et al, Hard Disk Drive: Mechatronics and Control, ISBN 0-8493-7253-4, 2007
  9. Xiang, Ning and Sabatier, James M., "Land mine detection measurements using acoustic-to-seismic coupling," SPIE Vol. 4038 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V, p.645-655 (2000).
  10. Burgett, Richard D. et al., "Mobile mounted laser Doppler vibrometer array for acoustic landmine detection," SPIE Vol. 5089 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VIII (2003).
  11. Lal, Amit K. et al., "Advanced LDV instruments for buried landmine detection," SPIE Vol. 6217 Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets XI (2006).

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