En quoi consiste la surveillance acoustique ?

Le son est constitué d’ondes de pression qui se déplacent à travers un milieu, généralement l’air ou l’eau. Les ondes sonores sont un type d’ondes acoustiques, généralement décrites par leur fréquence ou hauteur (mesurée en hertz, ou Hz) et leur amplitude ou intensité sonore (mesurée en décibels, ou dB). Ces caractéristiques permettent de quantifier le comportement et l’intensité du son dans les applications de surveillance. La surveillance avec des capteurs acoustiques et l’analyse des sons produits par l’équipement peuvent signaler des caractéristiques sonores inattendues pour un examen humain. 

^{Figure 1 : Capteur acoustique}

Plusieurs types de capteurs sont couramment utilisés dans la surveillance acoustique.

Microphones : ce sont les capteurs les plus courants dans la surveillance acoustique, capturant directement les ondes sonores aériennes. Selon les conditions sonores, les microphones à diaphragme ou pour systèmes microélectromécaniques (MEMS) et les microphones à ultrasons peuvent être mieux adaptés à la surveillance acoustique. Des réseaux de microphones peuvent être installés sur ou autour de l’équipement pour surveiller le son, la phase permettant de localiser les sources de bruit.

Accéléromètres : bien qu’ils soient principalement utilisés pour la surveillance des vibrations, les accéléromètres peuvent compléter les microphones pour mesurer les sons transmis par la structure se propageant à travers des objets solides tels que les boîtiers d’équipement ou les murs.

Hydrophones — Les hydrophones sont conçus pour capter les signaux de pression acoustique sous-marins. Leur conception résistante à la corrosion les rend idéaux pour les applications industrielles et scientifiques, y compris les tests, la surveillance et les mesures sous-marines.

^{Figure 2 : Principes de la surveillance acoustique}

La plupart des machines et des processus industriels produisent une signature sonore cohérente lorsqu’ils fonctionnent correctement. Les écarts par rapport à cette signature de base peuvent signaler des défauts ou des pannes en développement. Les systèmes de surveillance acoustique impliquent généralement des capteurs, des plates-formes matérielles d’acquisition de données (DAQ) flexibles et un logiciel d’analyse spécialisé pour capturer, convertir, numériser et analyser les signaux sonores à la recherche de caractéristiques inhabituelles. Sur la base de l’analyse, la maintenance peut être planifiée, les composants réparés ou les processus ajustés avant que des problèmes importants ne surviennent.

La surveillance acoustique permet une maintenance prévisionnelle qui peut éviter des réparations coûteuses tout en prolongeant la durée de vie des équipements et en améliorant la sécurité. Les configurations courantes de collecte de données incluent les types de systèmes suivants.

Systèmes câblés : les capteurs sont connectés via des fils ou câbles à un périphérique DAQ et un ordinateur, offrant une haute fiabilité et une transmission des données en temps réel. Il existe quelques inconvénients : Les installations câblées peuvent être difficiles et les câbles sont vulnérables aux dommages. Il peut être difficile de câbler un système distribué sur une très grande zone.

Systèmes sans fil : les capteurs transmettent les données sans fil, permettant un positionnement facile dans des endroits difficiles d’accès. Cependant, les configurations sans fil nécessitent de prendre en compte l’autonomie des batteries, la portée de transmission du signal et la sécurité des informations.

Surveillance continue (en ligne) : les méthodes filaires et sans fil fournissent généralement des données continues ou fréquentes pour une vue en temps réel des conditions acoustiques. La surveillance continue offre plus de données en temps réel mais si les défaillances se produisent lentement sur de longues périodes, il peut ne pas être nécessaire de collecter autant de données.

Contrôles périodiques (hors ligne) : un technicien utilise un instrument portable pour mesurer périodiquement les niveaux sonores, offrant flexibilité mais fournissant seulement des instantanés. Les contrôles périodiques peuvent ne pas capter les événements instantanés mais fonctionnent bien pour identifier les tendances à long terme. 

La surveillance acoustique se concentre sur la capture et l’analyse du bruit audible et des ondes sonores basses fréquences, alors que la surveillance par ultrasons cible les ondes sonores hautes fréquences hors de la portée de l’audition humaine. Les techniques de surveillance par ultrasons sont généralement utilisées pour transmettre des signaux à travers un matériau et détecter des changements causés par des défauts internes ou des ruptures structurelles ; elles sont souvent employées dans l’inspection des matériaux pour détecter des défauts internes plutôt que pour la surveillance active de l’état.

L’analyse des données acoustiques consiste à examiner et interpréter les informations sonores, souvent à l’aide de logiciels comme NI LabVIEW pour créer des applications d’analyse personnalisées. Voici quelques techniques clés pour analyser les données acoustiques.

Analyse du spectre de fréquences : utilise des techniques comme la transformée de Fourier rapide (FFT) pour décomposer les sons en fréquences constitutives, aidant à identifier des types spécifiques de défauts.

Analyse temps-fréquence : des méthodes comme l’analyse par ondelettes examinent comment la fréquence évolue dans le temps, utile pour les sons transitoires.

Analyse d’ordre : l’analyse d’ordre sert à étudier les changements dans les valeurs harmoniques liées à la machinerie rotative. Ceci est particulièrement utile pour surveiller les moteurs ou machines afin de détecter les changements dans le fonctionnement des systèmes en corrélant le bruit au régime moteur.

Reconnaissance de formes et IA : les algorithmes d’apprentissage automatique automatisent de plus en plus la détection d’anomalies et la classification des sons associés à des problèmes connus. Les problèmes identifiés peuvent être signalés pour examen ou déclencher des actions automatiques telles que des alarmes ou des arrêts si les seuils critiques sont atteints ou dépassés. Le défi avec l’utilisation de l’IA pour la surveillance acoustique est de former le modèle avec suffisamment de données, y compris des cas de défaillance, pour qu’il sache quoi détecter. 

La surveillance acoustique est utilisée sur une gamme d’équipements, composants et processus :

• Machines rotatives
• Roulements
• Moteurs
• Pompes
• Soupapes
• Systèmes hydrauliques
• Engrenages
• Compresseurs
• Pipelines
• Systèmes électriques

La surveillance acoustique peut identifier les types de problèmes potentiels suivants sur les équipements et composants :

• Usure ou dommage des roulements
• Usure des engrenages
• Désalignement
• Surchauffe
• Obstructions
• Fissures
• Fuites
• Surgraissage ou sous-graissage (ultrasons)
• Anomalies électriques

La surveillance acoustique offre plusieurs bénéfices importants :

• Détection précoce des défauts pour éviter les pannes majeures et les temps d’arrêt
• Réduction des coûts grâce à la maintenance prédictive et à la détection de fuites énergivores
• Sécurité améliorée grâce à la détection de conditions dangereuses
• Amélioration de la qualité via la vérification des signatures acoustiques
• Optimisation des processus grâce aux analyses sonores

Les mesures acoustiques sont essentielles lors de la conception, de la validation et des tests produit. Les ingénieurs réalisent des analyses acoustiques, souvent en automatisant les séquences de test avec des outils comme NI TestStand, pour effectuer des tests de bruit, de vibration et de rugosité (NVH) afin de respecter les normes d’émission sonore ou identifier et réduire les sources de bruit indésirable ou excessif. Les ingénieurs peuvent également vérifier les performances acoustiques des composants et détecter les défauts lors du développement et des tests de durabilité.

NI fournit une plate-forme robuste pour la surveillance et l’analyse acoustiques avancées. Les matériels NI CompactDAQ, NI PXI et NI CompactRIO s’interfacent directement avec les microphones et accéléromètres. Nos modules d’entrée sons et vibrations offrent des fonctionnalités pour des mesures acoustiques précises, comprenant le conditionnement du signal, le filtrage, une large plage dynamique et le respect des principes fondamentaux d’acquisition de signaux dynamiques.

Nous proposons aussi des outils logiciels puissants comme l’environnement de programmation graphique NI LabVIEW pour le développement et l’analyse de systèmes personnalisés. Des logiciels de configuration tels que NI FlexLogger™ simplifient l’enregistrement des données, tandis que NI DIAdem offre des capacités avancées pour la gestion, l’analyse et le reporting de grands jeux de données. Ensemble, les matériels et logiciels NI permettent des solutions de surveillance acoustique personnalisées, transformant les données sonores en informations exploitables.

Les solutions NI de surveillance acoustique présentent plusieurs avantages par rapport à d’autres approches :

• Notre longue expérience de la mesure dans de nombreuses applications garantit que les mesures réalisées avec les équipements NI sont de meilleure qualité que celles du matériel conçu spécifiquement pour la surveillance d’état. Les produits NI sont plus précis, avec un chronométrage plus stable et des mesures plus fiables.
• Les plate-formes NI reposent sur un concept de modularité, rendant les systèmes plus efficaces à concevoir et plus simples à maintenir durant toute la durée de vie de l’application. Contrairement aux systèmes à personnalité fixe, vous pouvez facilement étendre les systèmes en ajoutant des modules pour gagner de nouvelles voies ou mesures.
• Les systèmes NI à grande vitesse peuvent capturer toutes les données, pas seulement des rafales périodiques. Cela signifie que vous pouvez enregistrer des événements que d’autres systèmes manquent.