Cette thèse présente les différentes sources de champ magnétique dans un véhicule automobile à moteur thermique. Le but de ce travail est d'exploiter la mesure du champ magnétique dans une automobile afin d'extraire des données utiles pour caractériser le fonctionnement ou le dysfonctionnement des éléments du véhicule. Les expérimentations que nous avons conduites nous ont permis de mesurer, identifier, caractériser et modéliser les différentes sources de champ magnétique en automobile. Les circuits électriques, l'alternateur électrique, mais également le déplacement des pièces ferromagnétiques engendrent des champs d'induction. Toutes ces sources se mélangent sur le réseau de capteurs magnétiques installé dans le véhicule. Nous avons mis en œuvre des algorithmes de séparation de sources et de soustraction de bruit permettant de récupérer les signaux utiles pour la surveillance. L'analyse vibratoire déjà utilisée pour le diagnostic des automobiles permet d'étudier les accélérations et chocs des éléments à surveiller. L'analyse magnétique que nous présentons ici permet d'étudier d'autres caractéristiques comme le déplacement de ces pièces ou les courants électriques présents dans le système. Nous montrons que les mesures magnétiques, sont un nouvel outil de diagnostic qui peut être utilisé pour le contrôle automobile, en complément de l'analyse vibratoire. Diverses applications industrielles potentielles utilisant des capteurs à bas coût, sur le contrôle des roues, du moteur et des feux électriques sont développées. Enfin, nous ouvrons une réflexion sur la généralisation de ces résultats aux véhicules électriques en présentant les problématiques et les besoins spécifiques en particulier dans l'étude du comportement magnétique des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'énergie.

Le système de surveillance (HUMS) installé dans les hélicoptères permet d'anticiper les anomalies et de donner la possibilité d'effectuer des tâches de maintenance prédictive avant l'apparition de défauts critiques. Par ailleurs, HUMS est également destiné à détecter la propagation de défauts émergents. Ceci consiste à comparer les caractéristiques vibratoires en vol de l'hélicoptère aux caractéristiques d'un état normal prédéfini. L'inconvénient majeur de cette approche est que les caractéristiques de l'état normal sont relatives au type de l'hélicoptère et changent après les tâches de révision et de maintenance, ce qui nécessite un réapprentissage de ces caractéristiques. Cette étude présente des méthodes d'évaluation de la progression temporelle des signatures vibratoires. L'étude de l'évolution de la signature vibratoire dans le temps permet de détecter des événements comme des interventions de maintenance ou des propagations de défauts sans avoir à définir un modèle de l'état de bon fonctionnement de l'appareil. Des méthodes fondées sur des modèles paramétriques et des bancs de filtres d'analyse vibratoire ont été testées et validées. Finalement, une méthode de détection de défauts a été mise en oeuvre et a donné de meilleurs résultats que les méthodes traditionnelles utilisées.

Lors de la détection de phénomènes non-linéaires faibles dans les solides, dans le cadre de l’évaluation non-destructive par ultrasons, les non-linéarités des céramiques piézoélectriques, éléments actifs des transducteurs ultrasonores, peuvent introduire des effets parasites. L’objectif de la thèse est de caractériser les propriétés non-linéaires de ces céramiques et de prédire l’influence de celles-ci sur la propagation d’ondes ultrasonores. Une méthode de caractérisation non-linaire basée sur l’analyse de la génération de second harmonique sur un résonateur piézoélectrique sous excitation électrique est ici développée. On montre que l’analyse des taux de distorsions permet de distinguer différentes sources de non-linéarité, mécanique ou électromécanique, impliquées dans la génération harmonique. L’influence de la charge acoustique sur le comportement vibratoire non-linéaire de la céramique est ensuite étudiée. L’ensemble des résultats obtenus est utilisé pour prédire l’influence de la non-linéarité de la céramique piézoélectrique sur la propagation d’ondes acoustiques dans un milieu extérieur. / During the detection of nonlinear phenomena in solids, under the non-destructive evaluation by ultrasound, nonlinearities of piezoelectric ceramics might introduce parasitic effects that could disrupt the measurements. The objective here is to characterize the nonlinear properties of these ceramics and predict their influence on the propagation of ultrasonic waves. A method to characterize nonlinear properties based on the analysis of the generation of second harmonic on a piezoelectric resonator is developed here. It is shown that the analysis of the distortions for a wide range of excitation frequencies, allow to distinguish different sources of nonlinearity. Thereafter, the influence of an acoustic load on the nonlinear behaviour of vibration is studied. Finally, the previous results are used to predict the influence of non-linearity of piezoelectric ceramic on the propagation of acoustic waves in an environment outside.

Le roulement est l'un des composants les plus importants des machines tournantes. Néanmoins, dans des conditions normales d'utilisation, il est soumis à de la fatigue de roulement qui peut conduire à un défaut d'écaillage. Dans ce travail, nous présentons un suivi de la fatigue d'un roulement de butée grâce à un banc d'essais dédié. L'analyse vibratoire est une méthode qui permet de caractériser et de localiser les défauts dans les roulements. Des mesures successives de ces niveaux de vibrations donnent des indications quant à l'évolution de la sévérité des défauts. Le suivi de cette évolution est fait grâce à un indicateur statistique, la valeur RMS (Root Mean Square) qui peut être corrélée avec la taille d'un écaillage de roulement. L'approche suit le fonctionnement du roulement de butée jusqu'à la dégradation avec une acquisition on line des états vibratoires sous forme de signaux temporels. A l'aide du traitement de signal, on obtient les valeurs des amplitudes vibratoires qui caractérisent l'état vibratoire du roulement. Par conséquent, ces valeurs nous permettent de tracer les courbes de fatigue. Au cours de notre travail expérimental, cette opération est appliquée à un lot de butées à billes pour lesquelles nous avons obtenu des courbes semblables où la tendance de l'évolution suit un modèle mathématique à partir de la détection de l'apparition de la première écaille. Le résultat de ce travail contribuera à prédire la durée de vie résiduelle avant la panne. / The bearing is one of the most important components of rotating machines. Nevertheless, in normal conditions of use, it is subject to fatigue which creates a defect called a rolling fatigue spalling. In this work, we present a follow-up of the thrust bearing fatigue on a test bench. Vibration analysis is a method used to characterize the defect. In order to obtain the fatigue curve more adjusted, we have studied the vibration level according to statistical indicators: the Root Mean Square value (RMS value), which is one of the best indicators to show the evolution of the bearing degradation. The approach follows the working of the bearing until the degradation with an on line acquisition of vibration statements in form of time signals. With the signal treatment, we obtain the values of the vibration amplitudes which characterize the vibration state of the bearing. Consequently, these values allow us to plot the fatigue curves. During our experimental work, this operation is applied for a batch of thrust bearings for which we have obtained similar fatigue curves where the evolution trend follows a mathematical model from the detection of the onset of the first spall. The result of this work will contribute to predict the working residual time before failure.

Cette thèse s'intéresse à la mise en œuvre de modèles réduits de roues aubagées de moteurs d'avion sujettes au désaccordement. <br /><br />Lors de la modélisation de structures dites à symétrie cyclique, différents niveaux de complexité peuvent être pris en compte. Du fait de la taille des modèles numériques engendrés, il est usuel de mettre en œuvre des méthodes de réduction. Jusqu'à récemment, il était supposé que toutes les aubes étaient identiques, caractéristique mathématique permettant une réduction drastique des temps de calcul, et ce sans approximation sur la solution finale, utiles à l'analyse du comportement vibratoire de l'ensemble de la structure. Il s'avère en fait que cette hypothèse est limitée et que les aubes sont statistiquement toutes différentes les unes des autres, du fait des méthodes de fabrication par exemple, mais aussi des cycles de fonctionnement : c'est ce que l'on nomme communément le "désaccordement". La symétrie cyclique est alors rompue et les hypothèses de travail initiales ne sont plus valides. Il faut alors construire de nouveaux modèles réduits prenant en compte ce désaccordement avec un niveau d'approximation maîtrisé.

Cette thèse présente les différentes sources de champ magnétique dans un véhicule automobile à moteur thermique. Le but de ce travail est d'exploiter la mesure du champ magnétique dans une automobile afin d'extraire des données utiles pour caractériser le fonctionnement ou le dysfonctionnement des éléments du véhicule. Les expérimentations que nous avons conduites nous ont permis de mesurer, identifier, caractériser et modéliser les différentes sources de champ magnétique en automobile. Les circuits électriques, l'alternateur électrique, mais également le déplacement des pièces ferromagnétiques engendrent des champs d'induction. Toutes ces sources se mélangent sur le réseau de capteurs magnétiques installé dans le véhicule. Nous avons mis en œuvre des algorithmes de séparation de sources et de soustraction de bruit permettant de récupérer les signaux utiles pour la surveillance. L'analyse vibratoire déjà utilisée pour le diagnostic des automobiles permet d'étudier les accélérations et chocs des éléments à surveiller. L'analyse magnétique que nous présentons ici permet d'étudier d'autres caractéristiques comme le déplacement de ces pièces ou les courants électriques présents dans le système. Nous montrons que les mesures magnétiques, sont un nouvel outil de diagnostic qui peut être utilisé pour le contrôle automobile, en complément de l'analyse vibratoire. Diverses applications industrielles potentielles utilisant des capteurs à bas coût, sur le contrôle des roues, du moteur et des feux électriques sont développées. Enfin, nous ouvrons une réflexion sur la généralisation de ces résultats aux véhicules électriques en présentant les problématiques et les besoins spécifiques en particulier dans l'étude du comportement magnétique des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'énergie. / In this thesis the various sources of magnetic field in an automobile with heat engine are presented. The aim of this work is to make use of the measures on the magnetic field in an automobile in order to extract useful information for monitoring or diagnosis of the vehicle. The experiments we made led us to measure, to identify, to characterize and to model the various sources of magnetic field in an automobile. The electric circuits, the electric generator, and also the displacements of ferromagnetic pieces can create magnetic field. All those sources are mixed on the sensor network. We have developed source separation algorithms and noise removing techniques, in order to get useful signals. Vibration analysis has already been used for diagnosis in automobile and allows to study the accelerations and shocks of the elements to monitor. The magnetic analysis allows to study other parameters such as pieces displacements or the electric currents in the system. We show that magnetic analysis is a new diagnosis tool that could be used as additional information. Several concrete potential applications on wheel and engine monitoring, and electric bulb diagnosis are presented. Finally, we give an angle of reflection about generalizing those results to electric vehicles by presenting the specific problems and needs for those vehicles. In particular, the study of the magnetic behavior of the electric Lithium batteries is presented.

La fissure d'engrenages peut être considérée comme un défaut des plus compliqués à diagnostiquer car sa signature vibratoire n'est pas vraiment connue. En plus, l'intégration des fissures dans les modèles numériques n'est pas une tâche simple. D'autre part, le diagnostic des engrenages peut être fait dans le domaine temporel à travers des descripteurs statistiques ou dans le domaine fréquentiel grâce à l'analyse spectrale ou l'analyse cepstrale. Lors de l'apparition d'un défaut de fissure, des phénomènes non linéaires et non-stationnaires se manifestent ce qui rend les outils classiques de traitement du signal moins fiables. Dans ce manuscrit, nous répondons à toutes ces problématiques en développant un modèle d'engrenages à 6 DDL qui porte une fissure qui respire. Le modèle nous permet d'étudier la signature de la fissure et son effet sur les vibrations résultantes indépendamment de l'effet des autres composantes du système. Les résultats ont montré que la fissure conduit à une chute de la rigidité d'engrènement. En plus, la respiration de la fissure cause une fatigue dans le matériau ce qui engendre un terme aléatoire dans le signal vibratoire. La combinaison du terme aléatoire avec la composante périodique due à la rotation des arbres conduit à l'apparition de la cyclostationnarité d'ordre 2. Une étude comparative de sensibilité et de robustesse entre la transformée de Fourier rapide, la cyclostationnarité d'ordre 2 et les estimateurs de la phase instantanée (la transformée de Hilbert, estimation of signal parameters via rotational invariance techniques avec une fenêtre glissante, weighted least squares estimation et le scalogramme de phase) est effectuée pour la détection précoce des fissures. En plus, des essais expérimentaux ont été effectués sur un banc d'essais d'engrenages avec différentes dimensions de fissures. Les résultats théoriques et expérimentaux ont montré que l'analyse cyclostationnaire est la méthode la plus sensible et la plus robuste pour la détection précoce des fissures par rapport aux méthodes proposées. De plus, l'analyse de la phase instantanée donne également des résultats intéressants dans le cas des défauts de fissures. Nous avons montré que le scalogramme de phase est, a priori, plus performant que les autres approches / The gear crack is considered as the most complicated failure to diagnose because its vibration signature is not really known. In addition, the integration of crack defect in numerical models is not a simple task. On the other hand, gears diagnosis can be done in the time domain through statistical descriptors or in the frequency domain using spectral analysis or cepstral analysis. During the appearance of a crack defect, nonlinear and nonstationary phenomena occur which makes the classical tools of signal processing unreliable. In this manuscript, we respond to these challenges by developing a gear model of 6 DOF that has a crack that breathes. This allows us to study the signature of the defect in the resulting vibrations with a flexible way away from external vibrations. The results showed that the crack leads to a fall in the mesh stiffness. In addition, the opening and closing of the crack causes a fatigue in the material which generates a random term in the vibration signal. The combination of the random term with periodic component due to the rotation of the shafts leading to the appearance of second-order cyclostationary. A comparative study of sensitivity and robustness between the fast Fourier transform, second-order cyclostationary and estimators of instantaneous phase (the Hilbert transform, Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques with a sliding window, Weighted Least Squares Estimation and phase scalogramme) is performed for the early detection of cracks. In addition, experimental tests were carried out on a test-bench with different sizes of crack. The theoretical and experimental results showed that the cyclostationary analysis is the most sensitive and most robust method for the early detection of cracks in comparison with the other evaluated methods. Furthermore, the analysis of the instantaneous phase also gives good results in the case of crack defects. We have shown that the phase scalogramme is a priori more efficient than other approaches

Le diagnostic des outils de coupe joue un rôle dans l’industrie où il est important de maîtriser les coûts ainsi que la qualité des produits finis tout en maintenant la sécurité et la sûreté des biens et des personnes. L’objectif de cette thèse est l’analyse vibratoire des outils de coupe d’une opération de fraisage pour le diagnostic de leur état de dégradation. Dans une première partie nous avons étudié les possibilités offertes par les traitements statistiques synchrones des signaux vibrations issus d’une opération d’usinage pour étudier leur état de fonctionnement. Les signaux vibratoires traités ont la particularité d’être cyclostationnaires, c'est-à-dire périodiques dans leurs propriétés statistiques. La prise en compte de cette propriété permet l’utilisation des descripteurs capables de caractériser instantanément les processus vibratoires, en liaison avec la cinématique mécanique de l’opération d’usinage. De plus lorsque associé à l’échantillonnage angulaire, la cyclostationnarité conduit vers la proposition d’estimateurs statistiques synchrones commodes à mette en œuvre. Les statistiques synchrones d’ordre l et d’ordre 2, la corrélation spectrale ainsi que le bispectre cyclique sont définis avec leurs interprétations et leurs estimateurs. Un modèle des signaux de fraisage est donné. Cette modélisation vise à démontrer la cyclostationnarité de ces signaux. L’emploi de ces indicateurs est illustré sur des signaux réels et comparé avec des indicateurs classiques pour le diagnostic de dégradation des outils de coupe. Dans une deuxième partie, la déconvolution aveugle de la réponse impulsionnelle d’un processus cyclostationnaire est réalisé, en utilisant seulement les statistiques d’ordre deux. Pour cela on exploite la propriété de cyclostationnarité pour estimer la phase du système, même si le système est à phase non minimale. Deux méthodes sont présentées, paramétrique Ding-p et non paramétrique Ding-n. Ces méthodes ont été validées sur des signaux de simulation des signaux vibratoires issus des machines tournantes. Deux applications ont été faites, la première est d’estimer la réponse impulsionnelle d’un système broche-outil-pièce de fabrication. La deuxième c’est de reconstruire les forces de coupe, exerçants sur la pièce de fabrication, afin de faire le monitoring / The identification of the state of a cutting tool is important in any metal cutting process. An additional cost - in terms of scrapped components, machine tool breakage and unscheduled downtime - occurs as a result of tool defects. The thesis objective is the cutting tool vibration analysis of a milling operation for the diagnosis of their state of degradation. In the first part, the possibilities offered by the synchronous statistics, applied to vibration signal captured from a milling process, are studied to examine the cutting tool condition. The processed vibration signals are cyclostationary, i.e their statistical properties are periodic. Taking into account this property, the use of descriptors able to characterize the process, in conjunction with the kinematics of the mechanical machining operation. Furthermore, when combined with the angular sampling, the cyclostationarity led to the proposed synchronous statistical estimators convenient to implement. First order and second order synchronous statistics, the spectral correlation and the cyclic bispectrum are defined with their interpretations and estimators. A model of milling vibration signal is given. This model aims to demonstrate the cyclostationarity of the signals. The use of these indicators is illustrated on real signals and compared with conventional indicators for diagnosing degradation of cutting tools.In the second part, the blind deconvolution of the impulse response of a cyclostationary process is

La détection d'impacts est une préoccupation majeure pour suivre l'intégrité d'une structure évoluant dans un environnement comportant des risques de collision. Ce travail consiste à développer une méthode d’identification d'impact applicable à une structure composite de grandes dimensions qui soit à la fois robuste, peu coûteuse en temps de calcul, et qui nécessite peu de capteurs. Dans un premier temps, la démarche a été de décrire l'image du point d'impact dans la réponse vibratoire par un vecteur de participations modales. L'idée a ensuite été d'introduire l'hypothèse d'existence d'une famille de modes discriminants permettant d'établir le lien bijectif entre les participations modales et le point d'impact. Une procédure d'estimation de ces participations modales à partir d'un unique point de mesure a été proposée. Dans un second temps, la démarche a été d'étendre la procédure à l'identification d'une loi décrivant les paramètres principaux d'une force d'impact. Des conditions portant sur les paramètres de mesure et les propriétés modales de la structure sont déterminées pour garantir la précision et la robustesse de l'identification. Ce travail a permis de développer une approche en rupture par rapport à l'état de l'art, en ce sens qu'elle ne nécessite, en théorie, qu'un seul point de mesures vibratoires pour identifier un impact. Des essais expérimentaux sur un pavillon d'A350 ont permis de valider cette approche sur une structure composite de grandes dimensions. / Many industrial structures operate in an environment with a high risk of collision. The detection of impacts and the assessment of their severity is a major preoccupation in Structural Health Monitoring. This work deals with the development of an impact identification technique that is applicable to a large composite structure, numerically robust and time efficient, and that requires a low number of sensors. The first step was to describe the image of the impact point in the vibration response as a modal participation vector. The idea was to introduce the existence of a discriminating modes familly to make a bijective link between the modal participations and the impact point. A least-squares procedure is developed to estimate those modal participations by measuring the vibration response of a single point on the structure. The second step was to extend the procedure to the identification of a parametric law representing the impact load history. Some conditions on measurement parameters and modal properties of the structure are identified to guarantee both the accuracy and the robustness of the procedure. The approach developed in this work is new regarding the state of the art: only one measurement point is considered for identifying an impact event. An experimental validation on an A350 crown panel indicates that the methodology is valid for large composite structures.

Dans les dernières décennies, la surveillance vibratoire des machines tournantes a acquis un intérêt particulier fournissant une aide efficace pour la maintenance dans l'industrie. Aujourd'hui, de nombreuses techniques efficaces sont bien établies, ancrées sur des outils puissants offerts notamment par la théorie des processus cyclostationnaires. Cependant, toutes ces techniques reposent sur l'hypothèse d’un régime de fonctionnement (c.à.d. vitesse et/ou charge) constant ou éventuellement fluctuant d’une façon stationnaire. Malheureusement, la plupart des machines surveillées dans l'industrie opèrent sous des régimes non stationnaires afin de remplir les tâches pour lesquelles elles ont été conçues. Dans ce cas, ces techniques ne parviennent pas à analyser les signaux vibratoires produits. Ce problème a occupé la communauté scientifique dans la dernière décennie et des techniques sophistiquées de traitement du signal ont été conçues pour faire face à la variabilité du régime. Mais ces tentatives restent limitées, dispersées et généralement peu soutenues par un cadre théorique. Le principal objectif de cette thèse est de combler partiellement cette lacune sur la base d'une formalisation théorique du sujet et d’un développement systématique de nouveaux outils de traitement du signal. Dans ce travail, la non-stationnarité du régime est limitée à celle de la vitesse— c.à.d. vitesse variable et charge constante— supposée connue a priori. Afin d'atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée consiste à étendre le cadre cyclostationnaire avec ses outils dédiés. Nous avons élaboré cette stratégie en distinguant deux types de signatures. Le premier type comprend des signaux déterministes connus comme cyclostationnaires au premier ordre. La solution proposée consiste à généraliser la classe cyclostationnaire au premier ordre à la classe cyclo-non-stationnaire au premier ordre qui comprend des signaux déterministes en vitesse variable. Le second type comprend des signaux aléatoires périodiquement corrélés connus comme cyclostationnaires au deuxième ordre. Trois visions différentes mais complémentaires ont été proposées pour traiter les variations induites par la non-stationnarité de la vitesse de fonctionnement. La première adopte une approche cyclostationnaire angle\temps, la seconde une solution basée sur l'enveloppe et la troisième une approche cyclo-non-stationnaire (au second ordre). De nombreux outils ont été conçus dont les performances ont été testées avec succès sur des signaux vibratoires réels et simulés. / In the last decades, vibration-based condition monitoring of rotating machine has gained special interest providing an efficient aid for maintenance in the industry. Nowadays, many efficient techniques are well-established, rooted on powerful tools offered in particular by the theory of cyclostationary processes. However, all these techniques rely on the assump-tion of constant— or possibly fluctuating but stationary— operating regime (i.e. speed and/or load). Unfortunately, most monitored machines used in the industry operate under nonstationary regimes in order to fulfill the task for which they have been designed. In this case, these techniques fail in analyzing the produced vibration signals. This issue, therefore, has occupied the scientific committee in the last decade and some sophisticated signal processing techniques have been conceived to deal with regime variability. But these works remain limited, dispersed and generally not supported by theoretical frameworks. The principal goal of this thesis is to partially fill in this gap on the basis of a theoretical formalization of the subject and a systematic development of new dedicated signal processing tools. In this work, the nonstationarity of the regime is confined to that of the speed— i.e. variable speed and constant load, assumed to be known a priori. In order to reach this goal, the adopted methodology consists in extending the cyclostationary framework together with its dedicated tools. We have elaborated this strategy by distinguishing two types of signatures. The first type includes deterministic waveforms known as first-order cyclostationary. The proposed solution consists in generalizing the first-order cyclostationary class to the more general first-order cyclo-non-stationary class which enfolds speed-varying deterministic signals. The second type includes random periodically-correlated waveforms known as second-order cyclostationary. Three different but complementary visions have been proposed to deal with the changes induced by the nonstationarity of the operating speed. The first one adopts an angle\time cyclostationary approach, the second one adopts an envelope-based solution and the third one adopts a (second-order) cyclo-non-stationary approach. Many tools have been conceived whose performances have been successfully tested on simulated and real vibration signals.