FR2571634A1 - Generateur de vibrations du type excitateur electrodynamique et procede de mesure de l'impedance mecanique d'une structure a l'aide de ce generateur - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN GENERATEUR DE VIBRATIONS DU TYPE EXCITATEUR ELECTRODYNAMIQUE, COMPORTANT UN GENERATEUR DE CHAMP MAGNETIQUE ET UNE BOBINE PLONGEE DANS LE CHAMP, ET UN PROCEDE DE MESURE DE L'IMPEDANCE MECANIQUE D'UNE STRUCTURE PAR GENERATEUR. LE GENERATEUR COMPORTE EGALEMENT UN BOITIER 3 RIGIDE SOLIDARISABLE A LADITE STRUCTURE, LA BOBINE 2 EST FIXEE RIGIDEMENT AU BOITIER PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN CAPTEUR FORCE 4, ET LE MOYEN GENERATEUR DE CHAMP MAGNETIQUE 1 EST SUSPENDU AU BOITIER PAR DES MOYENS ELASTIQUES 5, 6, 7. LE PROCEDE CONSISTE A FIXER LE BOITIER 3 SUR LA STRUCTURE ET DES ACCELEROMETRES SUR CETTE STRUCTURE AU VOISINAGE DU POINT D'EXCITATION ET EN UN POINT DE LA MASSE DE REACTION POUR CONNAITRE LES MOUVEMENTS DE CEUX-CI, A ALIMENTER LA BOBINE EN ELECTRICITE, A PRELEVER LES VALEURS FOURNIES PAR LES ACCELEROMETRES, ET, CONNAISSANT LA MASSE DU BOITIER ET LA MASSE DE REACTION, A DEDUIRE L'IMPEDANCE MECANIQUE DE LA STRUCTURE.

Description

"Générateur de vibrations du type excitateur électro
dynamique et procédé de mesure de l'impédance mécani
que d'une structure à l'aide de ce générateur".

L'invention concerne un générateur de vibrations du typs excitateur électrodynamique pour une structure à tester, comportant au-moins un moyen générateur de champ magnétique tel qu'un aimant permanent ou un électro-aimant et une bobine plongée dans le champ magnétique. Elle concerne également un procédé de mesure de l'impédance mécanique d'une structure à l'aide de ce générateur.

Les excitateurs électrodynamiques sont en effet des dispositifs permettant de convertir un courant électrique alternatif en une force mécanique destinée à faire vibrer une structure à des fins d'essais.

Le principe mis en oeuvre dans ces dispositifs est celui du moteur électrodynamique également utilisé par les haut-parleurs: un électro-aimant ou un aimant permanent à entrefer annulaire produit un champ magnétique constant et radial dans lequel est plongée une bobine mobile qui peut être alimentée en courant électrique par un amplificateur. En réponse à ce courant, la bobine délivre une force mécanique axiale reproduisant exactement la forme du courant qui l'excite.

Dans les excitateurs électrodynamiques connus, la bobine est rendue solidaire d'une structure qu'elle fait ainsi vibrer.

L'aimant et le reste du dispositif doivent être fixés à une structure voisine qui sert de réaction d'appui à l'excitateur électrodynamique.

Dans certaines conditions, l'excitateur peut également être utilisé suspendu pendulairement ou par des moyens élastiques, et, dans ce cas, c'est l'inertie de l'aimant et du dispositif à l'exception de la bobine mobile qui sert de réaction d'appui.

Si l'on ne dispose pas de structure mécanique voisine de celle que l'on veut faire vibrer, ou dans le cas où les forces vibratoires produites par réaction d'appui risquent de se propager dans la structure en essai, ou encore dans le cas où la suspension pendulaire ou par moyens élastiques est impossible, l'utilisation des excitateurs électrodynamiques actuellement commercialisés est également impossible.

L'invention a pour but de remédier a ces inconvénients et concerne à cet effet un générateur de vibrations du type excitateur électrodynamique pour une structure à tester, comportant au moins un moyen générateur de champ magnétique tel qu'un aimant permanent ou un électro-aimant et une bobine plongée dans le champ magnétique, générateur caractérisé en ce qu'il comporte également un bottier rigide destiné à être solidarisé à la structure à tester, et en ce que ladite bobine est elle-même solidarisée audit bottier sensiblement rigidement par l'intermédiaire d' un capteur force, tandis que le moyen générateur de champ magnétique est solidarisé à ce boitier par des moyens de suspension élastiques.Cet excitateur électrodynamique, qui comporte le même type de moteur que les excitateurs classiques, et qui s'en distingue par la façon nouvelle dont ce moteur est monté, et par son mode de fonctionnement, se présente donc comme une botte qu il suffit de fixer à la structure'que l'on veut faire vibrer, et d'alimenter par un courant électrique dans les mêmes conditions que les excitateurs classiques. En revanche, il ne nécessite aucun point d'appui ni suspension pour produire des forces vibratoires.

L'invention concerne également un procédé de mesure de l'impédance mécanique dlune structure au moyen d'un tel générateur, caractérisé en ce que l'on fixe le bottier sur la structure à tester, et des accéléromètres d'une part sur cette structure au voisinage du point d'excitation et d'autre part en un point de la masse de réaction en vue de connattre les mouvements de ceux-ci, on alimente la bobine au moyen d'une source électrique, on préleve les valeurs fournies par les accéléromètres, et, connaissant la masse du bottier et la masse de réaction on en déduit par calcul l'impédance mécanique de la dite structure.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre se rapportant à une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple non limitatif et représentée sur les dessins cijoints dans lesquels
- la figure 1 représente une coupe longitudinale schématique d'un générateur de vibrations selon l'invention, et
- la figure 2 est un schéma équivalent du générateur de de la figure 1, monté sur une structure à tester.

D'une manière générale, le générateur de vibrations représenté sur les dessins comporte un moteur électrodynamique constitué d'un aimant permanent 1 ayant extérieurement la forme d'un cylindre de révolution à section transversale droite circulaire et à section longitudinale en forme de E, destiné à créer un champ magnétique radial, et d'une bobine 2 ayant également extérieurement la forme d'un cylindre de révolution, plongée dans l'entrefer de cet aimant permanent 1, entrefer déterminé entre les extrémités libres des trois branches parallèles 11, 12, 13 du E.Afin que l'entrefer ait une section réduite, ces extrémités des trois branches parallèles 11, 12, 13 du E comportent des épanouissements 111, 121, 131 formant avec elles des coudes pliés a 900 de telle sorte que la branche centrale 12 comporte deux épanouissements 121 opposés, en regard, l'un de l'épanouissement 111 de la branche latérale 11, et l'autre de l'épanouissement 131 de l'autre branche latérale 13. I1 faut noter que l'existence de branches latérales 11, 13 distinctes munies d'épanouissements 111, 131 distincts, et d'épanouissements 121 également distincts est purement graphique dans la forme de réalisation représentée, les branches 11, 13 étant simplement des zones diamétralement opposées d'une même jupe extérieure cylindrique appartenant à l'aimant permanent, les épanouissements 111, 131 étant des zones diamétralement opposées d'une même région s'étendant circonférentiellement- à l'extrémité libre de cette jupe, et les épanouissements 121 des zones également diamétralement opposées d'une même région centrale de la même extrémité de l'aimant.

L'entrefer présente donc la forme d'un anneau à section circulaire dans lequel sont insérées une partie des spires de la bobine 2.

Selon l'invention, contrairement aux excitateurs électrodynamiques classiques, c'est la bobine 2 qui est liée rigidement (ou peut-être considérée comme étant liée rigidement) au bottier 3 du dispositif, et c'est l'aimant permanent 1 qui est mobile.

Ce bottier 3, rigide, présente de préférence une forme parallelépipédique, ou encore une forme cylindrique, et comme d'ailleurs l'aimant 1, il peut être réalisé en plusieurs pièces pour faciliter sa fabrication ou/et le montage des différents organes du dispositif.

La bobine 2 est solidarisée au bottier par l'intermédiaire d'un capteur force 4 du type assiette piézoélectrique, servant à mesurer, ét éventuellement à réguler par contre-réaction, la force vibratoire délivrée par l'excitateur ; ce capteur force 4 est donc fixé d'un côté à une extrémité de la bobine 2 et de l'autre au fond 31 du bottier 3.

L'aimant permanent 1, quant à lui, est suspendu dans le bottier, aux parois latérales 32 de celui-ci, et sous son couvercle 33 par des premiers moyens élastiques constitués de deux lames de ressort respectives 5, 6, qui empêchent tous ses mouvements sauf les mouvements axiaux (sur la figure, verticaux).

La lame de ressort 5 est disposée parallèlement au fond 31 du bottier entre celui-ci et les extrémités libres épanouies des trois branches parallèles de l'aimant 1, dans la région de la bobine 2 ; aussi, cette lame 5 est percée d'un trou central 51 pour le passage de la bobine. La liaison de la lame 5 aux parois latérales 32 du bottier est assurée par pincement entre les cales 321, 322-, et la liaison à l'aimant 1 par le fait qu' une bague 52 est prévue autour de son trou central 51 et fixée sur une de ses faces à ladite lame 5 et sur son autre face à 1' extrémité de l'aimant 1 dans laquelle est insérée la bobine 2, autour de cette dernière.

La lame de ressort 6, placée à l'autre extrémité du bottier, est fixée sous le couvercle 33, et a la forme d'une plaque dont la partie centrale, pleine, est liée à la zone centrale de l'aimant l, sur sa face opposée à la bobine, par l'intermédiaire d'un disque 61 relativement épais dont une face est fixée à ladite lame 6 et la face opposée à la face 14 de l'aimant 1. Afin de permettre des mouvements axiaux de la partie centrale de la lame 6 sous l'action des mouvements de 1' aimant 1, le couvercle 33 comporte un évidement central 331.

De la sorte, les lames 5, 6 assurent que le guidage de l'aimant permanent 1 conserve la bobine 2 parfàitement positionnée dans son entrefer.

Des seconds moyens de suspension élastiques sont prévus, munis de quatre ressorts 7 dont la tension peut être réglée par des systèmes vis-écrou 8 ; ils ont pour but de reprendre les efforts et déformations statiques auxquels seraient sinon soumises les lames de suspension 5, 6,selon l'orientation de l'appareil du fait du poids de l'aimant permanent, et des forces magnétiques susceptibles d'apparaître si l'excitateur est fixé sur une structure métallique ferromagnétique.

Les ressorts 7 sont des ressorts hélicoidaux à axe longitudinal parallèle à celui de l'aimant 1 et l'une de leurs extrémités est ancrée dans une bague 71 fixée à l'extrémité de l'aimant qui comporte un entrefer. L'autre extrémité des ressorts 7, placée à proximité du couvercle 33, est fixée, par exemple accrochée, aux systèmes vis-écrou 8, représentés seulement schématiquement sur la figure 1, et plus précisément à une extrémité d'une tige au moins partiellement filetée 81 dont la partie filetée coopère avec un écrou 82 de telle sorte que la rotation de l'écrou 82, lequel prend appui sur la face extérieure du couvercle 33, provoque une translation de la tige 81, et en conséquence une modification de la tension du ressort 7.

Grâce à cette possibilité de réglage, l'excitateur travaille toujours dans les meilleures conditions de linéarité quelle que soit son orientation. Une fenêtre découpée dans le bottier et un index gradué non représentés permettent d'effectuer l'ajustement une fois l'excitateur monté dans sa position de travail.

Un système de courroie crantée également non représenté permet d'actionner les quatre systèmes vis-écrou de la même façon, garantissant ainsi, par l'utilisation de ressorts identiques, la répartition régulière de leur tension.

Le générateur de vibrations est entièrement contenu dans le bottier 3, étanche, ici en duralumin, à l'exception des ex trémités des vis de réglage 81 et des écrous de réglage 82, ainsi que des connexions électriques de la bobine 2,qui ne sont pas montrées sur les dessins.

Pour mettre en oeuvre le générateur selon l'invention, on fixe le boîtier sur la structure à tester, et on alimente la bobine 2 au moyen d'une source électrique appropriée. Dans ces conditions, la bobine se met à vibrer par rapport à l'aimant 1, entraînant des vibrations correspondantes du boîtier 3.

Le schéma équivalent de la figure 2 illustre le fonctionnement du générateur G, lequel produit une force F entre une structure d'impédance d'entrée Z5 dont le comportement est perturbé par la masse m du bottier 3, et une masse de réaction MR La raideur et l'amortissement des suspensions sont représentés respectivement par K et C.

L'équation d'équilibre du point R s'écrit (1) -M R R - C (XR Xs) - K (XR - XS) - F = O
et l'équation d'équilibre au point S (2) - ZS XS - m XS + C (XR - XS) + K (XR - x5) + F = C
En additionnant ces deux équations, on peut déduire 1' impédance ZS ::

La connaissance de Z5, c'est-à-dire la mesure ou plutôt le calcul de l'impédance mécanique de la structure à tester, suppose donc de connaitre les valeurs de la masse de réaction M R et de la masse m du boltier, et de prélever ou/et mesurer, à l'aide d'accéléromètres fixés préalablement à l'alimentation du générateur en des points respectifs S et R situés le premier au point d'excitation de la structure à tester ou au moins à son voisinage immédiat et le second sur ladite masse de réaction, des valeurs correspondant aux mouvements de la structure
XS et à ceux de la masse de réaction XR
Si le boîtier est léger par rapport à la masse de réac tion (m < < MR) cette formule peut être simplifiée.

D'autre part, aux hautes fréquences (c'est-a-dire audessus de la fréquence de résonnance du système (MR, K, C) les réactions dues aux suspensions sont beaucoup plus faibles que la réaction d'inertie due à la masse MR.

Dans ce cas

La force injectée dans la structure est alors pratiquement due uniquement à la réaction d'inertie de la MR
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation ci-dessus décrite et représentée, et on pourra en prévoir d'autres formes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1) Générateur de vibrations du type excitateur électrodynamique pour une structure à tester-, comportant au moins un moyen générateur de champ magnétique tel qu'un aimant permanent ou un électro-aimant et une bobine plongée dans le champ magne- tique, générateur caractérisé en ce qu'il comporte également un bottier (3) rigide destiné à être solidarisé à la structure à tester, et en ce que ladite bobine (2) est elle-même solidarisée audit boîtier sensiblement rigidement par l'intermédiaire d'un capteur force (4), tandis que le moyen générateur de champ magnétique (1) est solidarisé à ce boîtier par des moyens de suspension élastiques (5,6,7).

2) Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (3) est de forme générale parallèlépipédique.

3) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen générateur de champ mag nétique (1) présente extétieurement une forme générale cylindrique avec une section longitudinale en E.

4) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen générateur de champ magnétique (1) est solidarisé au bottier (3) par des premiers moyens de suspension élastiques constitués par des lames de ressort (5,6).

5) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen générateur de champ magnétique est solidarisé au bottier par des seconds moyens de suspension élastiques munis de ressorts hélicoidaux (7) dont la tension est réglable.

6) Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits seconds moyens élastiques (7) sont réglables à l'aide de systèmes vis-écrou (8).

7) Procédé de mesure de l'impédance mécanique d'une structure au moyen d'un générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on fixe le bot- tier (3) dont la structure à tester, et des accéléromètres d'une part sur cette structure au voisinage du point d'excitation S et d'autre part en un point R de la masse de réaction en vue de connaître les mouvements de ceux-ci, on alimente la bobine au moyen d'une source électrique, on prélève les valeurs fournies par les accéléromètres et, connaissant la masse (m) du boîtier (3) et la masse de réaction (MR), on en déduit par calcul l'impédance mécanique de ladite structure.