ISO 13373-2:2005

NORME ISO
INTERNATIONALE 13373-2
Première édition
2005-07-15
Surveillance et diagnostic d'état des
machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 2:
Traitement, analyse et présentation des
données vibratoires
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition
monitoring —
Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data

Numéro de référence
©
ISO 2005
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Conditionnement des signaux . 2
3.1 Généralités . 2
3.2 Systèmes analogiques et numériques . 4
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux. 4
3.4 Filtrage . 7
4 Traitement et analyse des données. 8
4.1 Généralités . 8
4.2 Analyse dans le domaine temporel. 8
4.3 Analyse dans le domaine fréquentiel . 18
4.4 Affichage des résultats au cours des changements opérationnels. 27
4.5 Analyse en temps réel et bande passante en temps réel. 31
4.6 Suivi d'ordres (analogiques et numériques). 32
4.7 Analyse par bande d'octave et par fraction d'octave. 32
4.8 Analyse par la méthode du cepstre . 33
5 Autres techniques. 34
Bibliographie . 35

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 13373-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les machines, les
véhicules et les structures.
L'ISO 13373 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Surveillance et diagnostic d'état
des machines — Surveillance des vibrations:
— Partie 1: Procédures générales
— Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
La partie suivante est en cours d'élaboration:
— Partie 3: Techniques de base pour le diagnostic
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Introduction
Le but de la présente partie de l'ISO 13373, qui traite de la surveillance des vibrations des machines, est de
fournir des recommandations relatives aux méthodes et procédures de traitement des signaux et d'analyse
des données délivrées par les capteurs de vibrations associés à une machine et implantés à des
emplacements choisis pour les besoins de surveillance du comportement dynamique d'une machine.
Les mesurages des vibrations à large bande donnent une idée générale sur l'intensité des vibrations d'une
machine qui peut être relevée et affichée afin d'alerter les utilisateurs d'une machine en cas d'apparition d'une
condition anormale au niveau de la machine. Le traitement et l'analyse de ces signaux de vibration réalisés
conformément aux procédures spécifiées dans la présente partie de l'ISO 13373 donnent à l'utilisateur un
aperçu sur les moyens permettant de diagnostiquer la ou les causes possibles des problèmes affectant les
machines, ce qui permet une surveillance plus ciblée et continue de celles-ci.
Un tel programme de surveillance ne présente pas seulement l'avantage d'attirer l'attention des opérateurs
des machines sur le fait qu'une machine peut connaître une défaillance à un certain moment et qu'il convient
de planifier l'entretien et la maintenance avant l'apparition de la défaillance, mais il fournit également de
précieuses informations sur la nature de la maintenance qu'il convient de planifier et d'exécuter. Les vibrations
sont des manifestations ou des signes avant-coureurs de problèmes tels que le défaut d'alignement, le
balourd, l'usure accélérée, le fluage et les problèmes de lubrification.
L'ISO 13373-1 fournit des lignes directrices en matière de surveillance des vibrations des machines. La
présente partie de l'ISO 13373 contient cependant des lignes directrices relatives au traitement, à la
présentation et à l'analyse des données vibratoires ainsi recueillies et qui peuvent être utilisées aux fins de
diagnostic pour déterminer la nature ou les causes profondes des problèmes.
Les procédures de traitement, d'analyse et de diagnostic des signaux, appliquées à la surveillance des
vibrations, peuvent varier en fonction des processus à surveiller, du degré de précision souhaité, des
ressources disponibles, etc. Un programme de surveillance parfaitement conçu et bien exécuté implique la
prise en considération de plusieurs facteurs tels que les processus prioritaires, la criticité (gravité) et la
complexité d'un système, la rentabilité, la probabilité d'occurrence des divers mécanismes de défaillances et
l'identification des premiers signes indicateurs de la défaillance.
Une analyse adéquate du processus est nécessaire pour imposer le choix des types de données souhaités
afin de permettre une surveillance convenable des machines.
Il est nécessaire que la personne chargée de l'analyse des vibrations regroupe autant d'informations
pertinentes que possible sur la machine à surveiller. Par exemple, la connaissance des fréquences de
résonance et des fréquences d'excitation des vibrations à partir des renseignements descriptifs et des
données analytiques donne un aperçu sur les fréquences vibratoires prévues, et par conséquent, sur la
gamme de fréquences à surveiller. En outre, la connaissance de l'état initial de la machine, de l'historique de
la machine en service et de ses conditions d'utilisation offre à l'analyste des informations complémentaires.
Ce processus de planification avant essai présente d'autres avantages; il fournit des lignes directrices sur les
types de capteurs nécessaires, les emplacements les plus adéquats pour leur implantation, la nature de
l'équipement requis pour le conditionnement (prétraitement) des signaux, le type d'analyse le plus approprié
et les critères pertinents.
D'autres normes traitant de la surveillance et du diagnostic d'état des machines sont en cours d'élaboration.
Elles sont destinées à fournir des lignes directrices sur la surveillance globale de la «santé» des machines, y
compris des facteurs tels que les vibrations, le degré de pureté des huiles, la thermographie et les
performances. Des techniques de base pour le diagnostic seront décrites dans une autre partie de
l'ISO 13373, qui est actuellement en cours d'élaboration.
NORME INTERNATIONALE ISO 13373-2:2005(F)

Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance
des vibrations —
Partie 2:
Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 13373 spécifie des procédures recommandées pour le traitement et la
présentation des données vibratoires et l'analyse des signatures vibratoires aux fins de surveillance des
vibrations des machines tournantes et la réalisation de diagnostics, le cas échéant. Elle décrit différentes
techniques en fonction des diverses applications. Elle présente par ailleurs des techniques d'amélioration des
signaux et des méthodes d'analyse destinées à l'étude des phénomènes dynamiques de machines
spécifiques. Plusieurs de ces techniques peuvent être appliquées à d'autres types de machines y compris les
machines alternatives. Elle donne en outre des exemples de formats pour des paramètres communément
représentés aux fins d'évaluation et de diagnostic.
La présente partie de l'ISO 13373 est essentiellement fondée sur deux principes de base pour l'analyse des
signaux de vibration: le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Certaines méthodes d'affinement des
résultats du diagnostic par variation des conditions de fonctionnement sont également couvertes.
La présente partie de l'ISO 13373 ne présente que les techniques les plus couramment utilisées pour la
surveillance, l'analyse et le diagnostic des vibrations des machines. Plusieurs autres techniques sont mises
en œuvre pour la détermination du comportement des machines et sont appliquées dans des études fondées
sur une analyse et un diagnostic plus approfondis des vibrations qui dépassent le cadre du simple suivi pour
la surveillance des machines. Une description détaillée de ces techniques ne relève pas du domaine
d'application de la présente partie de l'ISO 13373, mais l'Article 5 établit, à titre d'information complémentaire,
une liste de certaines de ces techniques spécialisées et encore plus développées.
Pour des machines de types et de dimensions spécifiques, l'ISO 7919 et l'ISO 10816 fournissent des
principes directeurs pour l'application de grandeurs vibratoires à large bande destinée à la surveillance d'état
des machines; d'autres documents tels que les normes VDI 3839 et VDI 3841 apportent des informations
supplémentaires sur les problèmes spécifiques aux machines qui peuvent être identifiés par un diagnostic des
vibrations.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 1683, Acoustique — Grandeurs normales de référence pour les niveaux acoustiques
3 Conditionnement des signaux
3.1 Généralités
Tous les mesurages des vibrations sont pratiquement effectués en utilisant un capteur délivrant un signal
électrique analogique proportionnel à la valeur instantanée de l'accélération, de la vitesse ou du déplacement
des vibrations. Ce signal peut être enregistré sur un analyseur dynamique, étudié pour une analyse ultérieure
ou visualisé, par exemple, sur un oscilloscope. Pour obtenir les niveaux de vibrations réels, la tension de
sortie est multipliée par une constante d'étalonnage qui rend compte de la sensibilité d'un capteur et des
gains d'un amplificateur et d'un enregistreur. L'étude des vibrations est souvent réalisée dans le domaine
fréquentiel mais il existe également des outils précieux faisant appel au diagramme d'évolution des vibrations.
La Figure 1 illustre l'évolution du signal de vibration dans les domaines temporel et fréquentiel. Dans cette
illustration, il est possible de relever que quatre recouvrements de signaux se combinent pour former la trace
composite, telle qu'elle apparaîtrait sur l'écran de l'analyseur (trace noire). Grâce à la méthode de traitement
par transformées de Fourier, l'analyseur convertit ce signal composite pour délivrer les quatre composantes
fréquentielles distinctes visualisées.

Légende
X temps 1 oscillogramme représentant le signal temporel
Y amplitude/grandeur 2 spectre dans le domaine fréquentiel
Z fréquence
Figure 1 — Domaines temporel et fréquentiel

La Figure 2 présente un exemple plus simple de trace composite délivrée par un capteur, telle qu'elle apparaît
sur l'écran de l'analyseur. Dans ce cas, seuls trois recouvrements de signaux sont représentés, comme
montré à la Figure 3, leurs fréquences distinctes étant présentées à la Figure 4.
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Légende
X temps
Y amplitude
Figure 2 — Signal composite de spectres de base

Légende
X temps
Y amplitude
Figure 3 — Recouvrement des signaux

Légende
X fréquence
Y amplitude
Figure 4 — Fréquences distinctes
Pour de nombreuses études, la relation entre vibrations, sur différents points de la structure ou dans différents
sens de propagation des vibrations, est aussi importante que les données relatives aux vibrations
individuelles elles-mêmes. Pour cette raison, des analyseurs de signaux multicanaux sont associés à des
systèmes d'analyse intégrés et à deux canaux. Lors de l'examen des signaux au moyen de cette technique, il
est important d'observer l'amplitude et la phase des signaux de vibration.
3.2 Systèmes analogiques et numériques
3.2.1 Généralités
Le signal analogique délivré par un capteur peut faire l'objet d'un traitement mettant en œuvre des systèmes
analogiques ou numériques. Traditionnellement, des systèmes analogiques étaient mis en œuvre et utilisaient
des filtres, des amplificateurs, des enregistreurs, des intégrateurs et d'autres composants qui modifient le
signal sans toutefois en changer le caractère analogique. Plus récemment, les avantages qu'offre la
numérisation des signaux sont devenus de plus en plus apparents. Un convertisseur analogique-numérique
(CAN) échantillonne de façon répétitive le signal analogique et le convertit en une série de valeurs
numériques. Des logiciels mathématiques peuvent alors être utilisés pour le filtrage, l'intégration, la détection
spectrale (voir 4.3.2), l'établissement d'histogrammes ou la réalisation de toute autre opération requise. Bien
entendu, le signal numérisé peut également être représenté sur un graphique en fonction de son évolution
dans le temps. Qu'il soit analogique ou numérique, le signal contient les mêmes informations, sous réserve du
choix approprié de la fréquence d'échantillonnage.
Lors de l'utilisation d'une méthode analogique ou d'une méthode numérique, il est important de connaître la
sensibilité du signal à mesurer. La sensibilité est le rapport de la valeur réelle de la tension de sortie du signal
à la grandeur réelle du paramètre mesuré. Pour obtenir une définition adéquate du signal, il convient que le
signal concerné soit sensiblement supérieur aux niveaux du bruit ambiant sans pour autant entraîner une
distorsion du signal (par exemple par écrêtage du signal).
3.2.2 Techniques de numérisation
Dans le processus de numérisation, la fréquence d'échantillonnage et le pouvoir de résolution constituent les
paramètres les plus importants. Il est important de s'assurer de l'absence de toute fréquence supérieure à la
moitié de la valeur de la fréquence d'échantillonnage. Sinon les diagrammes d'évolution présenteront des
distorsions ou les transformées de Fourier rapides (TFR) feront apparaître des composantes de repliement
qui n'appartiennent pas réellement au signal original (voir 4.3.7 pour des informations complémentaires sur le
repliement). La fréquence d'échantillonnage sera déterminée par le type d'analyse à réaliser et le contenu
fréquentiel attendu du signal. Lorsqu'on souhaite une représentation graphique des vibrations en fonction du
temps, il est recommandé que la fréquence d'échantillonnage corresponde approximativement à 10 fois la
fréquence représentative la plus élevée dans le signal. Cependant, si on souhaite obtenir un spectre de
fréquences, un calcul faisant intervenir la TFR nécessite une fréquence d'échantillonnage qui doit être
supérieure à 2 fois la fréquence représentative la plus élevée à mesurer. Les filtres anti-repliement servent à
éliminer tout bruit parasite à haute fréquence ou toute autre composante à haute fréquence supérieure à la
moitié de la valeur de la fréquence d'échantillonnage. Lors de la numérisation, le nombre de bits utilisés pour
représenter chaque échantillon doit être suffisant pour garantir le degré de précision requis.
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux
3.3.1 Généralités
Les signaux de vibration délivrés par les capteurs nécessitent généralement un certain conditionnement des
signaux avant leur enregistrement afin d'obtenir les niveaux de tension appropriés à l'enregistrement ou pour
éliminer le bruit ou toute autre composante indésirable. Le système de conditionnement des signaux inclut les
sources d'alimentation des capteurs, les préamplificateurs, les amplificateurs, les intégrateurs et plusieurs
types de filtres. Le filtrage est abordé plus en détail en 3.4.
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3.3.2 Intégration et dérivation
Les enregistrements des vibrations peuvent être réalisés en termes de déplacement, de vitesse ou
d'accélération. Généralement, la préférence est accordée à l'un de ces paramètres en fonction de la gamme
de fréquences représentative (les signaux à basse fréquence sont plus apparents lorsque le paramètre de
déplacement est utilisé et les signaux à haute fréquence sont plus apparents lorsque le paramètre
d'accélération est retenu) ou des critères applicables. Un signal de vibration peut être converti en une
grandeur différente par intégration ou dérivation. L'intégration de l'accélération par rapport au temps donne la
vitesse et l'intégration de la vitesse donne le déplacement. La double intégration de l'accélération produira
directement le déplacement. Comparée à l'intégration, la dérivation produit l'effet inverse.
Mathématiquement, pour le mouvement harmonique, les relations suivantes s'appliquent:
déplacement xv= d(t==adt)dt−1ω×a (1)
∫∫∫
dx
vitesse va== dt (2)
∫
dt
ddvx
accélération a== (3)
dt
dt
où
ω est la pulsation de la vibration harmonique, avec ω = 2πf
NOTE Voir aussi 4.3.12.
L'accéléromètre constitue un capteur de vibrations communément utilisé, et l'intégration est de ce fait bien
plus courante que la dérivation. En effet, la dérivation d'un signal est plus difficile que l'intégration, même si
une attention particulière doit être accordée à l'intégration des signaux à basse fréquence. Avant l'intégration,
il convient d'utiliser un filtre passe-haut afin d'éliminer les fréquences inférieures aux fréquences
représentatives.
3.3.3 Valeur quadratique moyenne (efficace) du signal de vibration
La valeur quadratique moyenne (RMS) du signal de vibration est couramment utilisée dans les normes
d'évaluation des vibrations. Les critères d'évaluation s'appliquent souvent aux valeurs quadratiques
moyennes des vibrations dans une certaine gamme de fréquences. Il s'agit de la grandeur de vibration la plus
utilisée sur une période de temps donnée. D'autres mesures d'un signal de vibration peuvent prêter à
confusion en présence de plusieurs composantes fréquentielles ou en cas de modulation, etc. Cependant, la
valeur quadratique moyenne est une grandeur mathématique qui peut être trouvée quel que soit le signal, la
majeure partie des instruments étant conçue pour dériver ladite grandeur (voir Figure 5). Par ailleurs, la valeur
quadratique moyenne peut être obtenue au moyen d'un analyseur de spectre en intégrant le spectre entre les
fréquences représentatives les plus hautes et les plus basses.
Un signal de vibration peut être filtré de la manière requise et visualisé sur un instrument de mesure des
valeurs quadratiques moyennes des vibrations, lorsque les lectures ne varient pas de manière significative sur
une courte période de temps. Toutefois, lorsque la valeur de sortie indiquée varie de manière sensible, une
valeur moyenne sur une certaine période de temps doit être obtenue. Ceci peut être réalisé en utilisant un
instrument disposant d'une constante de temps plus importante.

a)  Signal sinusoïdal, lorsque la valeur quadratique moyenne est égale à 0,707 fois la valeur crête

b)  Signal non sinusoïdal
Légende
1 valeur crête
2 valeur quadratique moyenne
Figure 5 — Valeur quadratique moyenne
3.3.4 Gamme dynamique
La gamme dynamique est le rapport entre les grandeurs les plus élevées et les plus faibles des signaux qu'un
analyseur particulier peut transmettre simultanément. Les grandeurs des signaux sont proportionnelles aux
tensions de sortie des capteurs, généralement exprimées en millivolts.
La gamme dynamique dans les systèmes analogiques est généralement limitée par le bruit électrique. Ce
phénomène ne concerne généralement pas le capteur lui-même, mais les filtres, amplificateurs, enregistreurs,
etc., contribuent tous au niveau du bruit, et le résultat peut être étonnamment élevé.
Dans les systèmes numériques, la gamme dynamique dépend de la précision de l'échantillonnage et la
fréquence d'échantillonnage doit être adaptée aux fréquences représentatives. La relation entre le nombre de
bits, N, utilisés pour l'échantillonnage du signal analogique et la gamme dynamique, D, s'établit comme suit
(en cas d'utilisation d'un seul bit pour le signe):
61ND-=dB (4)
( )
En conséquence, un analyseur dynamique de signaux (ADS), avec un pouvoir de résolution de 16 bits,
disposera d'une gamme dynamique de 90 dB, mais chaque erreur de précision se traduira par une réduction
de la gamme dynamique.
3.3.5 Étalonnage
Les documents cités en référence (par exemple l'ISO 16063-21) consacrent une large place à l'étalonnage
des capteurs individuels, l'étalonnage étant généralement effectué en laboratoire avant leur utilisation in situ.
Il est toutefois recommandé d'effectuer un contrôle d'étalonnage pour chaque installation sur le terrain.
Normalement, le contrôle d'étalonnage sur le terrain n'intègre pas l'étalonnage du capteur, mais il concerne
les éléments restants du système de mesure/enregistrement, tels que les amplificateurs, filtres, intégrateurs et
enregistreurs. Le plus souvent, il implique l'application d'un signal connu dans le système afin d'examiner le
signal de sortie y afférent. Selon le type de mesurage à effectuer, le signal pourrait être un échelon sur la
valeur continue, une sinusoïde ou un bruit aléatoire.
Certains capteurs, tels que les capteurs de déplacement ou les capteurs sans contact, sont pré-étalonnés;
dans ce cas, il convient toutefois de contrôler leur étalonnage sur le terrain et en relation avec la surface
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soumise au mesurage dans la mesure où les capteurs sans contact sont sensibles aux matériaux métalliques
de fabrication des arbres et de revêtement de finition. L'étalonnage de ces capteurs est effectué sur place en
utilisant des micromètres à touche mobile, et le résultat obtenu pour chaque capteur est consigné.
Le contrôle sur le terrain de l'étalonnage des capteurs sismiques nécessite l'emploi d'une table vibrante.
Après leur mise en place, les jauges de contrainte sont également étalonnées sur le terrain. L'étalonnage le
plus souhaitable porte sur une charge connue à appliquer au composant soumis au mesurage. Lorsque cela
n'est pas réalisable, un étalonnage à résistance en dérivation peut être effectué en raccordant en parallèle un
fil d'étalonnage à la jauge de contrainte dont la résistance apparente varie alors d'une valeur connue
équivalente à une certaine contrainte déterminée par l'instrument.
3.4 Filtrage
Pour le conditionnement et l'analyse du signal, trois types de filtres de base sont utilisés:
⎯ filtre passe-bas;
⎯ filtre passe-haut;
⎯ filtre passe-bande.
Les filtres passe-bas, comme leur nom l'indique, ne laissent passer que les composantes à basse fréquence
du signal et ils bloquent les composantes à haute fréquence au-delà de la fréquence limite du filtre (fréquence
de coupure). Les exemples d'application sont les filtres anti-repliement (voir 4.3.7) ou les filtres qui éliminent
les composantes à haute fréquence indésirables pour des applications particulières (par exemple,
composantes d'engrènements à des fins d'équilibrage).
Les filtres passe-haut servent principalement à éliminer le bruit à basse fréquence généré par les capteurs
(bruit d'origine thermique) ou certaines autres composantes indésirables du signal, avant de procéder à
l'analyse de celui-ci. Cette fonction peut se révéler importante dans la mesure où de telles composantes,
même si elles ne présentent aucun intérêt, peuvent réduire très sensiblement la gamme dynamique utile des
équipements de mesure.
Lorsqu'ils sont impliqués dans l'analyse du signal, les filtres passe-bande servent à isoler des bandes de
fréquences distinctes. Les types de filtres passe-bande les plus communs sont les filtres d'octave ou les filtres
de 1/n octave spécialement utilisés pour la corrélation entre les mesurages de vibrations et les mesurages du
bruit.
Le filtrage est d'une importance particulière pour l'analyse des signaux à larges gammes dynamiques.
Lorsque les spectres présentent des fréquences de grandes et faibles amplitudes, par exemple, ils ne
peuvent généralement pas être analysés avec le même degré de précision en raison des limitations en
termes de gamme dynamique de l'analyseur. Dans de tels cas, il peut être nécessaire d'éliminer par filtrage
les composantes de grande amplitude afin d'examiner plus attentivement celles à faible amplitude.
Le filtrage est également important pour la séparation des signaux à valeur informative des signaux
perturbateurs (dans la mesure où le bruit électronique se situe dans la gamme des hautes fréquences ou que
les ondes sismiques sont dans la gamme des très basses fréquences).
Lorsque les filtres sont destinés à isoler une composante fréquentielle particulière afin d'examiner la forme
d'onde, il faut veiller tout particulièrement à s'assurer que le filtre élimine correctement toute composante
présentant d'autres fréquences que les fréquences représentatives. Qu'ils soient analogiques ou numériques,
les filtres simples ne présentent pas des caractéristiques de coupure franche puisque la pente est médiocre
en dehors de la bande passante du filtre.
EXEMPLE Un filtre particulier de 24 dB par octave laisse passer environ 15 % d'une composante avec 2 fois la
fréquence et environ 45 % d'une composante avec 1,5 fois la fréquence de coupure. Pour améliorer les caractéristiques
de filtrage, il est possible d'utiliser plusieurs filtres simples en cascade ou de les remplacer par un filtre d'ordre supérieur.
4 Traitement et analyse des données
4.1 Généralités
Le traitement des données consiste à procéder à l'acquisition des données brutes, à l'élimination par filtrage
du bruit indésirable et/ou des autres signaux non pertinents et au formatage des signaux mesurés de la
manière requise aux fins d'un diagnostic ultérieur. En conséquence, le traitement des données est une phase
importante permettant de réaliser un diagnostic efficace et probant. Il convient que le dispositif d'acquisition
des signaux de vibration délivrés par le capteur présente un pouvoir de résolution adéquat en amplitude et
dans le temps. En cas d'acquisition de données numériques, il convient que le pouvoir de résolution en
amplitude soit suffisamment élevé pour l'application concernée. Un nombre élevé de bits de résolution permet
d'atteindre un haut degré de précision et de sensibilité, mais cela nécessite généralement la mise en œuvre
de matériels plus onéreux et d'une puissance de traitement plus élevée.
Une fois l'acquisition des signaux achevée, la phase suivante consiste à les traiter et ensuite à visualiser les
signaux de sortie selon divers formats utiles de manière à rendre le diagnostic plus facile pour l'utilisateur.
Des exemples de tels formats sont les diagrammes de Nyquist, les diagrammes polaires, les diagrammes de
Campbell, les diagrammes en cascade et les diagrammes en amplitude descendante. L'Article 4 a donc pour
objet d'exposer ces différentes méthodes de présentation mises à la disposition de l'utilisateur afin de lui
permettre de mieux déterminer l'état des machines.
4.2 Analyse dans le domaine temporel
4.2.1 Signal temporel
Dans le passé, l'analyse des signaux temporels constituait la méthode primaire d'analyse des vibrations. Une
vibration instantanée représentée en fonction du temps sur une bande d'enregistrement ou un oscillographe
était généralement analysée graphiquement, les pics en bande large étant notés. Alors que ces techniques de
traitement en bande large continuent d'être utilisées, il est utile d'analyser le signal en faisant appel à
certaines des techniques de base plus simples. Par exemple, un tourillon rayé peut être détecté en examinant
les données relatives à un signal délivré par les capteurs de déplacement, et un signal d'onde dont les parties
supérieure ou inférieure sont écrêtées peut être révélatrice d'un frottement anormal, d'un desserrage
mécanique, etc.
Alors que ces signatures dans le domaine temporel peuvent décrire des formes d'onde permettant de
dégager des informations de base sur la nature d'un phénomène survenant dans la machine, les techniques
d'analyse plus approfondie de fréquence décrites en 4.3 peuvent se révéler nécessaires.
L'analyse des signaux est fondée sur le principe selon lequel tout signal périodique peut être représenté
comme une superposition de sinusoïdes dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence du
signal. Les Figures 6 à 9 présentent plusieurs exemples de signaux temporels.
La Figure 6 illustre essentiellement une sinusoïde à période unique avec une amplitude constante.
L'amplitude double (ou crête à crête) de la vibration est obtenue en mesurant l'amplitude double de la trace et
en multipliant cette valeur par la sensibilité du système de mesure et d'enregistrement relevée lors de
l'étalonnage. La fréquence est obtenue en comptant le nombre de périodes dans un intervalle de temps
connu. Sur un oscillographe, le temps est indiqué par des lignes temporelles ou simplement par la vitesse
connue de défilement du papier. Pour la trace présentée, 60 lignes temporelles par seconde sont prévues; en
conséquence, les 12 lignes indiquent que la période fondamentale, T, est égale à 0,2 s, et qu'ainsi, la
fréquence, f = 1/T, est de 5 Hz. La précision est améliorée en utilisant le nombre de périodes dans une section
plus longue de l'enregistrement.
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Légende
X temps, s
Figure 6 — Caractéristiques des signaux

La Figure 7 présente la superposition de deux sinusoïdes avec trois périodes de la fréquence la plus basse
représentée. Les composantes peuvent être dissociées en traçant des enveloppes sinusoïdales (limites
supérieures et inférieure) passant par tous les pics et tous les creux, tel qu'indiqué. L'amplitude et la
fréquence de la composante à basse fréquence sont celles de l'enveloppe résultante. La distance verticale
entre les enveloppes indique la valeur de crête à crête de la composante à haute fréquence et la haute
fréquence peut généralement être comptée. Dans cet exemple, il est possible de constater que les
fréquences diffèrent d'un facteur de trois. Lorsque le rapport de fréquence entre deux sinusoïdes superposées
est élevé, elles peuvent être dissociées comme indiqué; dans tous les autres cas, une analyse de Fourier est
plus utile.
Légende
a
Période.
Figure 7 — Superposition
4.2.2 Battement
Les signaux sont souvent semblables à la trace présentée à la Figure 8, où les enveloppes ne sont pas en
phase, ce qui provoque des ventres et des rétrécissements. Le signal est formé par deux composantes
proches en fréquence et en amplitude. Ce phénomène, appelé battement, est un cas particulier provoqué par
la superposition. Un exemple de battement est celui produit par les deux fréquences générées par l'hélice
double de propulsion d'un bateau qui se combinent. Les pics des deux signaux s'additionnent et se déduisent
en alternance. Une autre caractéristique du battement est que les longueurs des battements sont presque
identiques et que l'espacement entre les pics au niveau des ventres est différent de celui observé dans les
rétrécissements. Les distances entre les enveloppes, au niveau des ventres et des rétrécissements,
représentent respectivement les sommes et les différences des valeurs crête à crête des deux composantes.
Un autre exemple est la vibration forcée par deux machines accouplées (compresseurs ou autres) et
entraînées par des moteurs électriques asynchrones.

Légende
X temps, s
Y amplitude
a
Valeur crête à crête au niveau du rétrécissement: 0,2.
b
Valeur crête à crête au niveau du ventre: 0,7.
c
Rétrécissement.
d
Ventre.
e
Cycle de vibration: 0,33 s, ce qui correspond à 3 Hz.
f
Cycle de battement: 2 s, ce qui correspond à 0,5 Hz.
Figure 8 — Exemple de battement
EXEMPLE Si les amplitudes des composantes correspondent à X pour la composante majeure et à X pour la
m n
composante mineure, les mesures montrent que X + X = 0,7 et X − X = 0,2, ce qui donne X = 0,45 et X = 0,25. Ces
m n m n m n
amplitudes consignées doivent être multipliées par la sensibilité du système afin d'obtenir les amplitudes réelles. La
fréquence de la composante majeure peut être obtenue en comptant le nombre de pics, tel que décrit ci-dessus (soit 3 Hz
selon la Figure 8). Cette fréquence est également un multiple entier de la fréquence de battement, soit 6 fois dans le
présent cas. La fréquence de la composante mineure est soit 1 de plus (7), soit 1 de moins (5) fois la fréquence de
battement. L'espacement entre les pics au niveau du rétrécissement indique de quelle fréquence il s'agit, puisqu'il traduit
la composante majeure. À la Figure 8, l'espacement est plus étroit, la composante majeure présente ainsi une fréquence
plus élevée. Dans la même Figure 8, la fréquence de battement est égale à 0,5 Hz et la fréquence de la composante
mineure est égale à 5 fois la fréquence de battement, c'est-à-dire 2,5 Hz.
Il convient de noter que la fréquence de battement est la différence des fréquences des deux composantes,
mais la valeur moyenne du pic de fréquence est égale à la moitié de la somme des deux. Le calcul des
fréquences s'effectue selon la formule simple suivante:
f=−ff (5)
bm n
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où
f est la fréquence de battement;
b
f est la fréquence de la composante majeure;
m
f est la fréquence de la composante mineure.
n
Dans l'exemple présenté à la Figure 8, le nombre de pics comptés étant égal à 6 en 2 s, cela signifie que
f = 3 Hz. Le cycle de battement étant de 1 période au cours du même intervalle de temps, cela signifie que
m
f = 1/(2 s) = 0,5 Hz. En inversant l'Équation (5), soit f = f − f , cela permet de déduire que la fréquence de
b n m b
la composante mineure f = 3 Hz − 0,5 Hz = 2,5 Hz.
n
4.2.3 Modulation
La Figure 9 présente la trace d'un signal de vibration modulé. Elle présente un aspect similaire au battement,
mais elle correspond en fait à une seule composante dont l'amplitude varie dans le temps (modulation). Elle
se distingue du battement dans la mesure où l'espacement entre les pics est identique au niveau des ventres
et des rétrécissements. En outre, la longueur des ventres peut être différente. Des problèmes d'engrenage se
traduisent souvent par une modulation de la fréquence d'engrènement à la fréquence de rotation de
l'engrenage.
Malheureusement, plusieurs enregistrements de vibrations contiennent plus de deux composantes, ce qui
peut impliquer une modulation, voire peut-être un battement. L'analyse de tels enregistrements se révèle
extrêmement difficile, mais l'analyste peut réussir à trouver des sections d'enregistrement présentant une
composante provisoirement dominante et à déterminer la fréquence et l'amplitude de cette même
composante dans la section concernée.

Figure 9 — Modulation
4.2.4 Analyse de l'enveloppe
L'analyse de l'enveloppe est un processus de démodulation de composantes de bas niveau dans une bande
de fréquences étroite masquée par une vibration en bande large de haut niveau (vibration libre dont
l'excitation est provoquée par une impulsion, vibration induite par l'engrènement, etc.). La détection de
l'enveloppe fournit un moyen de reconnaissance précoce de défauts avec une grande fiabilité. L'application la
plus courante est l'analyse de paliers d'arbres de transmission et d'éléments roulants où un événement
répétitif de basse fréquence et généralement de faible amplitude (tel qu'une dent endommagée à l'intérieur
d'un engrenage ou une bille ou un galet éclaté percutant une bague de roulement) provoque une ou des
résonances à haute fréquence, ce qui entraîne la modulation des hautes fréquences par la fréquence induite
par l'élément défectueux. La Figure 10 présente un échantillon d'une trace d'enveloppe.
Il est à noter que la composante modulée nécessite d'être pré-dissociée par un filtrage à bande étroite.
Figure 10 — Analyse de l'enveloppe
4.2.5 Surveillance de l'enveloppe du spectre de fréquences à bande étroite
La surveillance de l'enveloppe d'un spectre de fréquences à bande étroite permet de détecter toute
pénétration dans une enveloppe qui se traduit généralement par un seuil d'alarme autour d'un spectre de
référence. L'enveloppe de largeur de bande constante, où la différence de fréquence correspond au même
nombre de lignes à basse et haute fréquences, est généralement utilisée pour les machines à vitesse
constante.
Une enveloppe de largeur de bande à pourcentage constant augmente la différence de fréquence (décalée),
entre l'enveloppe et la composante surveillée, et ce proportionnellement à l'augmentation en fréquence. Cette
méthode présente des avantages dans la mesure où toutes les composantes harmoniques demeurent dans la
même bande de fréquences lors de variations légères de la vitesse.
Les limites en amplitude pour des composantes fréquentielles individuelles sont de deux types. Un décalage à
pourcentage constant est le plus souvent utilisé parce qu'il constitue le moyen de calcul le plus simple et qu'il
ne nécessite qu'un simple spectre de référence.
Une méthode plus représentative consiste à calculer une moyenne statistique pour chaque segment à
l'intérieur de l'enveloppe, et régler ensuite le seuil d'alarme sur la valeur moyenne plus 2,5 à 2,8 fois
l'écart-type. Le calcul statistique nécessite 4 ou 5 spectres à haute résolution et rend compte ensuite
automatiquement des différences normales communément observées, en termes de variation d'amplitude,
dans les spectres caractéristiques des machines.
4.2.6 Orbite d'arbre
L'analyse d'orbite peut être effectuée sur toute machine en utilisant des capteurs de déplacement
généralement montés à 90°. Pour les machines tournantes de grandes dimensions avec paliers à
coussinet-douille, il est courant de faire appel à une analyse d'orbite d'arbre afin de déterminer le mouvement
de l'arbre dans l'espace de jeux du palier. Une interprétation probante de l'orbite peut permettre d'avoir un
aperçu sur la nature de la fonction d'efforts. Il est également possible de déterminer si le tourbillon se produit
vers l'avant (dans le sens de rotation) ou vers l'arrière (en sens inverse de la rotation). Les données affichées
relatives à l'orbite sont traduites en signaux bruts ou filtrés. La Figure 11 présente des diagrammes types
d'orbites à large bande (signaux bruts) et à fréquence unique (signaux filtrés).
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