Module 2 / 5 Sommaire complet
Paramètres d'Acquisition : Résolution, Fmax, Fenêtrage, Moyennage
Un mauvais paramétrage de l'analyseur FFT peut rendre un spectre totalement inutilisable pour le diagnostic, même avec le meilleur capteur du monde. Comprendre les quatre paramètres clés — Fmax, nombre de lignes, fenêtre de pondération et moyennage — est indispensable pour tout analyste.
Fmax et résolution fréquentielle : le compromis fondamental
Les deux paramètres les plus importants d'une acquisition FFT sont la fréquence maximale (Fmax) et le nombre de lignes (ou raies) du spectre. Ils sont liés par une contrainte physique fondamentale : augmenter la résolution (raies plus serrées) allonge le temps d'acquisition, et augmenter Fmax oblige à augmenter la fréquence d'échantillonnage.
Fréquence maximale (Fmax)
Fréquence la plus haute représentée dans le spectre.
Règle : Fmax doit dépasser de 20 à 50 % la plus haute fréquence de défaut recherchée.
Surveillance roulements : couvrir BPFI et ses 3 à 5 premiers harmoniques, soit couramment 10 à 20 fois BPFI.
Impact : Fmax ↑ → Fe ↑ → temps d'acquisition ↓ si même nombre de lignes
Résolution fréquentielle (Δf)
Distance minimale entre deux raies séparables dans le spectre.
Formule : Δf = Fmax / Nlines
Exemple : Fmax=1000 Hz, 1600 lignes → Δf = 0,625 Hz
Impact : Δf petit (bonne résolution) → Tacq long. Temps d'acquisition = 1/Δf.
Guide de choix Fmax selon l'application
| Application | Fmax recommandée | Nombre de lignes | Résolution Δf |
|---|---|---|---|
| Balourd / désalignement uniquement | 200 Hz | 800 | 0,25 Hz |
| Surveillance générale machines (usage le plus courant) | 1 000 Hz | 1 600 | 0,625 Hz |
| Diagnostic roulements machines rapides | 5 000 Hz | 3 200 | 1,56 Hz |
| Engrenages haute vitesse (GMF > 5 kHz) | 10 000 - 20 000 Hz | 3 200 - 6 400 | 3 - 6 Hz |
| Analyse d'ordre (vitesse variable) | Variable selon N | 1 600 - 3 200 | Résolution en ordres |
Piège : Fmax trop faible et "repliement spectral" (aliasing)
Si la fréquence d'échantillonnage est insuffisante par rapport au signal (violation du théorème de Nyquist-Shannon : Fe < 2 × fmax du signal), des fréquences hautes sont "repliées" dans le spectre à des fréquences basses. Ces raies fantômes peuvent être confondues avec de vrais défauts et mener à un faux diagnostic. La solution est de toujours activer le filtre anti-repliement (filtre passe-bas avant l'ADC) de l'analyseur, et de choisir Fe ≥ 2,56 × Fmax.
Fenêtrage (windowing) : éliminer le fuitage spectral
La FFT suppose que le signal est périodique sur la fenêtre d'acquisition. En réalité, la fenêtre "coupe" le signal à ses extrémités, créant des discontinuités artificielles. Ces discontinuités génèrent des lobes latéraux parasites dans le spectre : c'est le fuitage spectral (leakage). Pour y remédier, on applique une fonction de fenêtrage qui amortit progressivement le signal vers zéro aux bords de la fenêtre avant de calculer la FFT.
| Fenêtre | Largeur de raie | Réduction du fuitage | Application recommandée |
|---|---|---|---|
| Rectangulaire (aucune) | Très étroite | Nulle (fuitage maximum) | Signaux strictement périodiques dans la fenêtre (rarement le cas en industrie) |
| Hanning (von Hann) | Modérée | Premier lobe latéral à −31 dB | Usage général en maintenance vibratoire. Le choix par défaut pour 90% des applications. |
| Hamming | Modérée | Premier lobe latéral à −43 dB, mais décroissance plus lente | Proche de Hanning, légèrement différente aux bords. Même usage. |
| Flat Top | Large | Très bonne | Mesures d'amplitude précise (étalonnage, comparaison). L'amplitude de chaque raie est exacte mais la résolution est dégradée. |
| Exponentielle | Variable | Bonne | Signaux impulsionnels (chocs), analyse modale. Amortit le signal après le choc. |
Hanning : cas d'utilisation
- Surveillance générale des machines tournantes
- Détection de raies proches en fréquence
- Balourd, désalignement, roulements, engrenages
- Quand la résolution spectrale prime sur la précision d'amplitude
Flat Top : cas d'utilisation
- Vérification d'étalonnage des capteurs
- Mesure précise de l'amplitude d'une raie isolée
- Comparaison avec des spécifications constructeur
- Quand la précision d'amplitude prime sur la résolution
Moyennage (averaging) : améliorer la fiabilité du spectre
Le moyennage consiste à calculer plusieurs spectres successifs et à en faire la moyenne. Cette opération réduit le bruit aléatoire du spectre (les composantes qui varient d'une acquisition à l'autre), rendant les raies déterministes (les vrais défauts) plus visibles et plus stables. C'est particulièrement utile pour détecter des défauts faibles noyés dans le bruit.
| Type de moyennage | Principe | Usage | Nb de moyennes courant |
|---|---|---|---|
| Linéaire (RMS) | Moyenne de N spectres calculés consécutivement | Usage général. Réduit le bruit de fond. Valeur standard. | 4 à 16 moyennes |
| Exponentiel | Moyenne pondérée : les spectres récents ont plus de poids | Surveillance en temps réel, suivi de l'évolution d'une machine. Adapté aux changements lents. | Continu (coefficient de lissage) |
| Peak Hold | Conserve l'amplitude maximale de chaque raie sur toutes les acquisitions | Capture des transitoires et des pics d'amplitude. Utile pour les démarrages et les arrêts. | 10 à 100 selon la durée à couvrir |
| Synchrone (Time Synchronous Averaging - TSA) | Moyenne synchronisée sur le signal de phase (tachymètre). Élimine les composantes non synchrones. | Isolation du signal d'un engrenage spécifique dans un réducteur multi-étages. | 16 à 64 moyennes |
Impact du moyennage sur le bruit : la règle des −3 dB par doublement
Le bruit aléatoire décroît comme la racine carrée du nombre de moyennes. Chaque doublement du nombre de moyennes le réduit donc de 3 dB (facteur √2 en amplitude) : 4 moyennes → bruit divisé par 2 (−6 dB) ; 16 moyennes → divisé par 4 (−12 dB) ; 64 moyennes → divisé par 8 (−18 dB). En pratique, 8 à 16 moyennes offrent un bon compromis entre durée d'acquisition et qualité spectrale pour la maintenance courante — à condition que les conditions de fonctionnement restent stables pendant toute la mesure.
Configuration pratique : recettes pour les cas courants
Voici les configurations FFT recommandées pour les applications industrielles les plus courantes. Ces "recettes" constituent un bon point de départ, à adapter selon les caractéristiques spécifiques de chaque machine.
| Application | Fmax | Lignes | Δf | Fenêtre | Moyennes |
|---|---|---|---|---|---|
| Moteur électrique standard (750-3000 tr/min) | 1 000 Hz | 1 600 | 0,625 Hz | Hanning | 8 |
| Roulement + engrenage (diagnostic précis) | 5 000 Hz | 3 200 | 1,56 Hz | Hanning | 16 |
| Pompe centrifuge lente (< 750 tr/min) | 200 Hz | 1 600 | 0,125 Hz | Hanning | 8 |
| Compresseur alternatif (basses fréquences) | 100 Hz | 800 | 0,125 Hz | Hanning | 4 |
| Étalonnage / vérification amplitude | Selon besoin | 3 200 | Variable | Flat Top | 16 |
Conseil : adapter la Fmax à la machine, pas l'inverse
Avant de configurer l'analyseur, répondre à ces trois questions :
- Quelle est la fréquence de rotation ? → elle fixe le 1x et les harmoniques à surveiller.
- Y a-t-il des engrenages ou des roulements à surveiller ? → calculer BPFI, BPFO et GMF, qui déterminent la Fmax minimale.
- Ai-je besoin de séparer des raies proches ? → cela fixe le nombre de lignes, donc la résolution Δf nécessaire.
"Un spectre mal paramétré est parfois pire que pas de spectre du tout : il donne l'impression que tout va bien alors qu'un défaut de roulement ou d'engrenage est en train de se développer en dehors de la Fmax choisie."
Vous avez maintenant les clés pour acquérir et lire un spectre FFT de façon rigoureuse. Le Module 3 va mettre en pratique ces connaissances sur les défauts les plus fréquents des machines tournantes : balourd, désalignement, jeu mécanique et résonance.
Questions fréquentes
Sources & références
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