Caractérisation des vibrations par méthodes holographiques

1 - Préambule

2 - Méthodes d’interférométrie holographique

• 2.1 - Interférométrie holographique par double exposition
• 2.2 - Interférométrie holographique en temps réel
• 2.3 - Interférométrie holographique moyennée dans le temps (ou par intégration temporelle)
• 2.4 - Interférométrie holographique à double faisceau de référence
• 2.5 - Cinéholographie interférométrique
• 2.6 - Vibrométrie holographique numérique ultra-rapide
• 2.7 - Holographie numérique hors axe pulsée ou stroboscopique
  Figure 3 - Différentes architectures expérimentales pour l’holographie numérique, (a) Holographie de Fresnel, (b) Holographie de Fresnel avec réducteur de champ, (c) Holographie de Fourier sans lentille, (d) Holographie image, aussi dénommée « TV-holographie » ou « ESPI »
• 2.8 - Shearographie
  Figure 4 - (a) Dispositif de shearographie (PZT : transducteur piézoélectrique, BS : cube séparateur 50 %), (b) Illustration des franges observées en interférométrie classique, (c) Illustration des franges observées en shearographie

3 - Étude de vibrations et de chocs

• 3.1 - Excitation sinusoïdale contrôlée
  Figure 5 - Dispositif d’holographie de Fresnel hors axe pour étudier les vibrations d’une anche de clarinette Figure 6 - Image des vibrations de l’anche de clarinette pour des fréquences dans la gamme 1 kHz-10 kHz Figure 7 - Dispositif expérimental pour l’holographie à bande latérale Figure 8 - Images holographiques reconstruites pour l’anche de clarinette vibrant à la fréquence 2 143 Hz ; (a) Image pour n = 0 ; (b)-(d) Images en bande latérale respectivement pour n = 1, n = 10, et n = 100. Une échelle de gris logarithmique a été utilisée Figure 9 - Dispositif expérimental ; (a) Utilisation de la station d’écoute ; (b) Dispositif d’enregistrement Figure 10 - Images holographiques reconstruites pour le contact cône-menton pour (a) 100 Hz, (b) 200 Hz et (c) 300 Hz Figure 11 - Images de shearographie pour une fréquence d’excitation de 6 000 Hz avec augmentation de l’énergie d’excitation vibratoire de (a) à (e) Figure 12 - Images de shearographie d’un panneau en nid d'abeille à insert en pot avec et sans défauts de liaison pour trois fréquences d’excitation de 1 700 Hz, 3 200 Hz et 22 kHz ; les cercles en pointillés indiquent la localisation des défauts Figure 13 - Hologramme d'aube de turbine, (a) Au repos, (b) En vibration. Mode de torsion à 250 Hz (Crédit ISL) Figure 14 - Images de la phase binaire obtenues par shearographie infrarouge d’aubes de turbine ; (a) Photographie des deux aubes, (b) Mode à 589 Hz pour la grande aube, (c) Mode à 1 250 Hz pour la grande aube, (d) mode à 1 350 Hz pour la petite aube, (e) Mode à 1 215 Hz pour la petite aube Figure 15 - Dispositif holographique pour l’étude d’une plaque encastrée Figure 16 - Images des modes de vibration d'une plaque encastrée obtenues par holographie stroboscopique Figure 17 - Images des modes de vibration de la plaque encastrée, visualisés par holographie par intégration temporelle ; Les lignes nodales sont visibles Figure 18 - Quelques modes de vibration de la plaque encastrée calculés par modélisation Figure 19 - Mode de vibration d'un composant de moteur d'avion SNECMA obtenu par la technique de double exposition et de double référence couplée à l'holographie stroboscopique (Crédit HOLO 3 réalisé pour SNECMA Villaroche) Figure 20 - Bouche artificielle pour l’étude d’une anche de clarinette en régime d’auto-oscillation Figure 21 - Dispositif holographique pour l’étude de l’anche de clarinette en bouche artificielle Figure 22 - Illustration du mouvement de l’anche sur un cycle, (a) et (b) anche en position ouverte, (c) Anche dans sa phase de descente vers le bec, (d) et (e) Deux instants de la phase de contact avec le bec, (f) Anche dans sa phase de mouvement vers la position ouverte Figure 23 - (a) Amplitudes et (b) Cartes de phase d'une membrane vibrante à différentes fréquences, 5 Hz, 1,9 kHz, 4,5 kHz et 16,7 kHz Figure 24 - (a) Dispositif holographique numérique temps réel et haute cadence, (b) Structures d’illumination fournies par l’élément optique diffractif (EOD) Figure 25 - (a) Amplitude vibratoire à 17 512 Hz, (b) Phase vibratoire à 17 512 Hz obtenue par holographie numérique temps réel à haute cadence, (c) Amplitude vibratoire à 17 512Hz, (d) Phase vibratoire à 17 512Hz obtenue par vibrométrie laser à balayage avec 41 points Figure 26 - (a) Amplitude de déplacement à 746 Hz obtenue par vibrométrie laser, (b) Amplitude de déplacement à 746 Hz obtenue par holographie, (c) Force estimée à l’aide des données de vibrométrie laser à 746 Hz, (d) Force estimée à l’aide des données holographiques à 746 Hz, (e) Amplitude de déplacement à 6 000 Hz obtenue par vibrométrie laser, (f) Amplitude de déplacement à 6 000 Hz obtenue par holographie, (g) Force estimée à l’aide des données de vibrométrie laser à 6 000 Hz, (h) Force estimée à l’aide des données holographiques à 6 000 Hz Figure 27 - Principe de l’holographie multiplexée hors axe, (a) Illustration de la procédure d'enregistrement par illumination simultanée avec trois paires de faisceaux de référence et d'illumination de la scène (OB1-2-3 : faisceaux objets, RB1-2-3 : faisceaux de référence), (b) Image d’un hologramme multiplexé à double exposition, reconstruit numériquement, et utilisé pour le déplacement en 3D d’une membrane en latex de 1 cm de diamètre, excitée acoustiquement à 1,5 kHz Figure 28 - Réponse de la membrane de tympan humain excitée avec un son de 6 884 Hz à différentes phases acoustiques ; les flèches noires indiquent les principaux trajets des ondes progressives
• 3.2 - Cas des fortes amplitudes
  Figure 29 - Minimisation du mouvement parasite d'ensemble par deux possibilités de synchronisation Figure 30 - Expérience d'holographie double exposition et double référence pour étude vibratoire in-situ Figure 31 - Déformée d'une plaque d'aviation ONERA en vibration obtenue par holographie double exposition et double référence au laser à rubis pulsé (Crédit HOLO3, réalisé pour l'ONERA)
• 3.3 - Structures excitées par chocs
  Figure 32 - Interférogramme double exposition d'une grande structure métallique (3 m × 5 m) ; Vue partielle ; Excitation par choc (Crédit ISL) Figure 33 - Représentation de la déformée de la surface de la structure en pseudo-3D et en fausses couleurs, obtenue à partir de l'interférogramme de la figure 32 (Crédit ISL) Figure 34 - Déformée d'une plaque en acier due au choc élastique d'une bille en acier (Crédit HOLO 3 réalisé pour EDF / Direction des Études et Recherches) Figure 35 - (a) Schéma de la plaque équipée du TNA, (b) Profil de la plaque équipée du TNA bidimensionnel avec détails de la forme de la structure et de la fine couche viscoélastique (en couleur orange) collée au centre du TNA, (c) Photographie de la plaque avec le spot d’éclairage, (d) Image holographique calculée à partir d’hologrammes numériques ; en pointillé rouge les limites de la plaque et de la zone TNA Figure 36 - Cartes de phase modulo 2π extraites sur un intervalle de temps [0,12 ms ; 0,17 ms] montrant le front d'onde en interaction avec la vis insérée dans la plaque ; la réflexion du front d'onde sur la vis peut être visualisée Figure 37 - Cartes de phase modulo 2π extraites sur un intervalle de temps [0,31 ms ; 0,36 ms] montrant le champ de vibration quelques instants après le passage du front d'onde dans la zone TNA
• 3.4 - Cas des corps en rotation
  Figure 38 - Mode vibratoire d'un frein à disque (Crédit ISL) Figure 39 - Principe du prisme de Dove utilisé dans un dérotateur, (b) Dispositif holographique pour l'étude d'un objet en rotation à l'aide du dérotateur Figure 40 - Vibration d'un ventilateur, (a) Interférogramme, (b) Déformée mesurée, (c) Pseudo-3d (Crédit HOLO 3)

4 - Analyse vibratoire par cinéholographie

• 4.1 - Étude des vibrations d’une portière en fonction du temps
  Figure 41 - Principe de la cinéholographie avec deux lasers YAG Figure 42 - (a) Quatre cinéhologrammes de la portière de voiture qui vient d’être claquée, (b) Déformées mesurées à partir des cinéhologrammes, (c) Représentations pseudo-3d des déformées (doc.HOLO3)
• 4.2 - Étude des vibrations d’une plaque en fonction du temps
  Figure 43 - (a) Schéma de la plaque et des points d’excitation, (b) Dispositif d’excitation de la plaque Figure 44 - Excitation à 102,4 Hz, (a) Carte de phase vibratoire, (b) Carte d’amplitude vibratoire
• 4.3 - Mesure de l’intensité vibratoire et de sa divergence
  Figure 45 - Plaque excitée par deux forces à 127 Hz, (a) Carte d’amplitude vibratoire, (b) Carte de phase vibratoire Figure 46 - (a) Intensité vibratoire, (b) Divergence correspondant au champ vibratoire de la figure 45
• 4.4 - Analyse modale d’une structure sous excitation complexe
  Figure 47 - Modes calculés avec excitation complexe (bruit rose) Figure 48 - Modes visualisés par holographie pour chaque fréquence de résonance

5 - Quelques opportunités

• 5.1 - Visualisation d’ondes sismiques
  Figure 49 - Génération de l’onde sismique Figure 50 - Onde sismique interagissant avec un objet enfoui, (a) avant que l’onde n’atteigne l’objet, (b) lorsque l’onde atteint l’objet (Crédit ISL)
• 5.2 - Visualisation de fissures sur un ouvrage d’art
  Figure 51 - Carte de phase calculée à partir des deux enregistrements avec un intervalle de temps de 300 ms

6 - Conclusion

7 - Glossaire

8 - Sigles, notations et symboles