ISO 20270:2019
(Main)Acoustics — Characterization of sources of structure-borne sound and vibration — Indirect measurement of blocked forces
Acoustics — Characterization of sources of structure-borne sound and vibration — Indirect measurement of blocked forces
This document specifies a method where a vibrating component (a source of structure-borne sound or vibration) is attached to a passive structure (or receiver) and is the cause of vibration in, or structure-borne sound radiation from, the assembly. Examples are pumps installed in ships, servo motors in vehicles or machines and plant in buildings. Almost any vibrating component can be considered as a source in this context. Due to the need to measure vibration at all contact degrees of freedom (DOFs) (connections between the source and receiver), this document can only be applied to assemblies for which such measurement is possible. This document is applicable only to assemblies whose frequency response functions (FRFs) are linear and time invariant. The source can be installed into a real assembly or attached to a specially designed test stand (as described in 5.2). The standard method has been validated for stationary signals such that the results can be presented in the frequency domain. However, the method is not restricted to stationary signals: with appropriate data processing, it is also applicable to time-varying signals such as transients and shocks (provided linearity and time invariance of the FRFs are preserved). This document provides a method for measurement and presentation of blocked forces, together with guidelines for minimizing uncertainty. It provides a method evaluating the quality of the results through an on-board validation procedure but does not comment on the acceptability or otherwise of the results.
Acoustique — Caractérisation des sources de bruit solidien et de vibrations — Mesurage indirect des forces bloquées
Le présent document spécifie une méthode dans laquelle un composant vibrant (une source de bruit solidien ou de vibrations) est fixé à une structure (ou récepteur) passive et provoque des vibrations dans l'assemblage ou un rayonnement sonore solidien de l'assemblage. Des pompes installées dans des navires, des servomoteurs dans des véhicules ou des machines et une installation dans des bâtiments en sont des exemples. Presque tous les composants vibrants peuvent être considérés comme une source dans ce contexte. En raison de la nécessité de mesurer les vibrations à tous les degrés de liberté (DDL) de contact (connexions entre la source et le récepteur), le présent document ne peut s'appliquer qu'aux assemblages pour lesquels un tel mesurage est possible. Le présent document n'est applicable qu'aux assemblages dont les fonctions de réponse en fréquence (FRF) sont linéaires et invariables dans le temps. La source peut être installée dans un assemblage réel ou fixé sur un banc d'essai spécialement conçu (tel que décrit en 5.2). La méthode normalisée a été validée pour des signaux stationnaires de sorte que les résultats puissent être présentés dans le domaine de fréquences. Toutefois, la méthode ne se limite pas aux signaux stationnaires: moyennant un traitement approprié des données, elle est également applicable à des signaux variant dans le temps tels que des transitoires et des chocs (à condition que la linéarité et l'invariance dans le temps des FRF soient conservées). Le présent document fournit une méthode de mesure et de présentation des forces bloquées, ainsi que des lignes directrices visant à réduire le plus possible l'incertitude. Il fournit une méthode d'évaluation de la qualité des résultats au moyen d'une procédure d'auto-validation, sans toutefois commenter l'acceptabilité ou non des résultats.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20270
First edition
2019-11
Acoustics — Characterization of
sources of structure-borne sound and
vibration — Indirect measurement of
blocked forces
Acoustique — Caractérisation des sources de bruit solidien et de
vibrations — Mesurage indirect des forces bloquées
Reference number
©
ISO 2019
© ISO 2019
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Selection of degrees of freedom (DOFs) . 6
4.1 General . 6
4.2 Source receiver interface . 7
4.3 Contact DOFs. 7
4.4 Indicator DOFs . 8
4.4.1 General. 8
4.4.2 All indicator DOFs at contact area . 8
4.4.3 No indicator DOF at contact area . 8
4.4.4 Some indicator DOFs at contact area . 8
4.5 Validation DOFs . 8
5 Test arrangement . 8
5.1 General . 8
5.2 Representativeness of the receiver . 8
5.3 Design of test receiver . 9
5.4 Avoidance of secondary noise sources . 9
6 Measuring equipment .10
6.1 General .10
6.2 Multi-channel analyser .10
6.3 Vibration sensors .10
6.4 Means of excitation .10
7 Test procedure .10
7.1 General .10
7.2 Operational test .12
7.3 Frequency response function (FRF) test .12
7.3.1 General.12
7.3.2 Direct FRF measurement .12
7.3.3 Reciprocal FRF measurement.12
7.4 Preliminary test with artificial excitation .13
8 Analysis procedure .13
9 Uncertainties and validation .14
9.1 General .14
9.2 On-board validation .15
9.3 Preliminary validation using artificial excitation .15
10 Test report .15
Annex A (informative) Example of a test report: Electric rear axle drive in a passenger car;
transfer path analysis (TPA) and estimation of blocked forces in situ according to
Annex B (informative) Tests for validity of measurement data .24
Annex C (informative) Case studies .26
Annex D (informative) Criteria for selection of indicator and validation DOFs .31
Annex E (informative) Prediction of sound and vibration .35
Bibliography .37
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
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constitute an endorsement.
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expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
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Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
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Introduction
This document has been developed in response to demand from mechanical industries for an agreed
method of specifying the "source strength" of sources of structure-borne sound and vibration. Quantities
[2]
which independently characterize a source are the free velocity and blocked force: ISO 9611 specifies
a measurement procedure for the former in which the machine, a vibration source, is mounted on soft
mounts to approximate free suspension. The blocked forces are the forces the operating machine would
exert when constrained by a perfectly rigid foundation. They can potentially be measured directly by
inserting force transducers in between the operating machine and a rigid foundation. However, this
document describes an indirect method for measurement of blocked forces using an inverse method.
Whereas the measurement of free velocity requires the source to be resiliently mounted and direct
measurement of blocked forces requires the machine mounts to be blocked, the indirect measurement,
as defined in this document, can theoretically be carried out with the source attached to any receiver
structure. Essentially the same measurement techniques are used in the diagnosis of structure-borne
sound using "transfer path analysis" (TPA), also called "source path contribution" analysis (SPC).
A method of characterizing sources of structure-borne sound and vibration by the indirect measurement
of blocked forces at the points of connection to supporting, or receiver, structures is described in this
document. The measurement method is applied in situ, which means that the source is connected to a
receiver structure while the measurements are performed. In theory, the use of any receiver structure
is valid provided the vibration source mechanisms of the specimen remain representative of those in a
real installation. Therefore, the receiver structure can be part of a real installation, such as a machine
foundation or a building, but can also be a specially designed test stand if it provides representative
dynamic loading for the source.
The method specifies a two-stage measurement procedure comprising, first, a passive test in which
frequency response functions (FRF) of the assembled source-receiver structure are measured, and
secondly, measurement of vibration in an operational test. The blocked forces are obtained by solving
the inverse problem. It is well known that inverse solutions of this type can result in very large errors,
particularly if there is inconsistency in the input data. Such errors vary significantly depending on the
case and the skill of the operator. Therefore, a means of estimating the uncertainties in the blocked
force, through a process called on-board validation, forms an essential part of this measurement
procedure.
The blocked forces are obtained in narrow frequency bands that can subsequently be converted to
approximate octave or third octave frequency bands.
[3]
The in situ blocked force method is intended to complement the reception plate method of EN 15657 .
The reception plate method offers a simplified approach in which forces and velocities are effectively
averaged over the feet of an operating machine by mounting on a standard plate. The approximations
allow measurements to be simplified but information about distribution and phase of the forces and
velocities is lost. This document aims to provide an alternative for structure borne sound sources not
compatible with the reception plate approach or where more detail is needed about the distribution of
the forces.
The blocked forces obtained from this document can be used for the following purposes:
a) obtaining data for preparing technical specifications for vibrationally active components (sources);
b) obtaining input data for prediction of vibration in, or sound radiated sound from, structures
connected to the source;
c) obtaining diagnostic information about the contribution of particular blocked forces to a target
vibration or sound pressure (in situ transfer path analysis).
Prediction of sound and vibration in a new assembly [as in b) above] does not form a normative part of
this document, although guidelines for prediction are provided in Annex E. For prediction purposes,
extra data are needed in addition to the measured blocked forces. Specifically, the frequency response
functions (FRFs) of the new assembly (which consists of the source connected to the new receiver
structure) need to be known. These FRFs can in principle be measured (if the assembly is available
for measurement), calculated (for example using numerical methods) or calculated by combining the
FRFs of the separate source and the receiver structures (dynamic substructuring) whether measured
or calculated.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20270:2019(E)
Acoustics — Characterization of sources of structure-
borne sound and vibration — Indirect measurement of
blocked forces
IMPORTANT — The electronic file of this document contains colours which are considered to be
useful for the correct understanding of the document. Users should therefore consider printing
this document using a colour printer.
1 Scope
This document specifies a method where a vibrating component (a source of structure-borne sound or
vibration) is attached to a passive structure (or receiver) and is the cause of vibration in, or structure-
borne sound radiation from, the assembly. Examples are pumps installed in ships, servo motors in
vehicles or machines and plant in buildings. Almost any vibrating component can be considered as a
source in this context.
Due to the need to measure vibration at all contact degrees of freedom (DOFs) (connections between
the source and receiver), this document can only be applied to assemblies for which such measurement
is possible.
This document is applicable only to assemblies whose frequency response functions (FRFs) are linear
and time invariant.
The source can be installed into a real assembly or attached to a specially designed test stand (as
described in 5.2).
The standard method has been validated for stationary signals such that the results can be presented
in the frequency domain. However, the method is not restricted to stationary signals: with appropriate
data processing, it is also applicable to time-varying signals such as transients and shocks (provided
linearity and time invariance of the FRFs are preserved).
This document provides a method for measurement and presentation of blocked forces, together
with guidelines for minimizing uncertainty. It provides a method evaluating the quality of the results
through an on-board validation procedure but does not comment on the acceptability or otherwise of
the results.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 7626-1, Mechanical vibration and shock — Experimental determination of mechanical mobility —
Part 1: Basic terms and definitions, and transducer specifications
ISO7626-2, Mechanical vibration and shock — Experimental determination of mechanical mobility —
Part 2: Measurements using single-point translation excitation with an attached vibration exciter
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
blocked force
dynamic force applied by an operational source (3.4) to a perfectly rigid receiver (3.5) structure
3.2
frequency response function
FRF
frequency-dependent ratio of the motion-response Fourier transform to the Fourier transform of the
excitation force of a linear system
Note 1 to entry: Excitation can be harmonic, random or transient functions of time. The test results obtained with
one type of excitation can thus be used for predicting the response of the system to any other type of excitation.
Note 2 to entry: Motion may be expressed in terms of velocity, acceleration or displacement; the corresponding
frequency-response function designations are mobility, accelerance and dynamic compliance or impedance,
effective (i.e. apparent) mass and dynamic stiffness, respectively.
[SOURCE: ISO 2041:2018, 3.1.53]
3.3
in situ blocked force vector
f ()f
c
complex blocked force (3.1) at the contact degrees of freedom (DOFs) (3.8), arranged into an n × 1 vector
at each frequency according to:
ff
()
c,1
ff()
c,2
f ()f =
c
ff()
cn,
where ff() is the complex Fourier spectrum component of the blocked force at frequency f and at
ci,
contact degree of freedom (DOF) i
Note 1 to entry: Forces can be considered as generalized forces, that is, including rotational components like
moments.
3.4
source
active substructure which contains the mechanisms of structure-borne sound or vibration generation
and comprises all parts of the assembly (3.6) on the active side of the source-receiver interface (3.7)
Note 1 to entry: Typically, the source is a separable component although this is not a requirement for the method.
Note 2 to entry: See Figure 1.
3.5
receiver
passive substructure comprising all parts of the assembly (3.6) on the passive side of the source-receiver
interface (3.7)
Note 1 to entry: The receiver may comprise the remaining parts of an assembled machine other than the source,
a test bench or a foundation structure such as a building.
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Note 2 to entry: By definition, there are no source mechanisms within the receiver so it is a purely passive
structure.
Note 3 to entry: See Figure 1.
3.6
assembly
installation comprising the source (3.4) and receiver (3.5) connected together
Note 1 to entry: See Figure 1.
Key
1 source (active structure)
2 receiver (passive structure)
3 assembly
s internal source excitation (not accessible)
in situ blocked force vector at the set of contact DOFs, c
f
c
v validation velocity (or acceleration) vector at the set of validation DOFs, v
v
v indicator velocity (or acceleration) vector at the set of validation DOFs, r
r
Y typical structural FRF between validation DOFs, v, and contact DOFs, c
vc
Y typical structural FRF between indicator DOFs, r, and contact DOFs, c
rc
H typical vibro-acoustic FRF between prediction DOFs, a, and contact DOFs, c (see NOTE 3)
ac
p structure-borne sound predicted at DOFs, a, in the fluid around the receiver (see NOTE 3)
a
NOTE 1 Indicator DOFs can be located anywhere on the receiver, including the source-receiver interface.
NOTE 2 The obtained blocked force vector can be used to predict vibration in, and radiated sound from, the
receiver structure (see Annex E).
NOTE 3 A vibration source (1) connected to a passive receiver (2) causes vibration (v ) in, or structure-borne
r
sound (p ) radiated from, the assembly (3) at interfaces (r, v) and (a), respectively. The internal excitation, s, is
a
unknown, requiring the source to be characterized at the source-receiver interface by blocked forces f , inferred
c
from v and the assembly FRF matrix Y . Additional structural, Y , and vibro-acoustic FRFs, H , can be used for
r rc vc ac
validation and prediction purposes.
Figure 1 — Test assembly
3.7
source-receiver interface
hypothetical surface which separates the source (3.4) structure from the receiver (3.5) structure
3.8
contact degrees of freedom
contact DOFs
DOFs located on the source receiver interface through which structure-borne sound or vibration is
transmitted from the source (3.4) to the receiver (3.5) structure
Note 1 to entry: n is the number of DOFs and c is the subscript used for contact DOFs.
Note 2 to entry: See 4.3 for a full definition.
3.9
indicator degrees of freedom
indicator DOFs
DOFs on the receiver (3.5) at which vibration responses are measured
Note 1 to entry: m is the number of DOFs and r is the subscript used for indicator DOFs.
Note 2 to entry: See 4.4.
3.10
validation degrees of freedom
validation DOFs
DOFs on the receiver (3.5) structure (not at the contact area) at which "spare" vibration responses are
measured so as to provide a comparison for the on-board validation
Note 1 to entry: p is the number of DOFs and v is the subscript used for validation DOFs.
Note 2 to entry: See 4.5.
Note 3 to entry: The validation is described in Clause 9.
3.11
indicator velocity vector
v ( f )
r
complex velocity (or acceleration) at the indicator DOFs (3.9), arranged into an m × 1 vector at each
frequency according to:
vf()
r,1
vf()
r,2
v f =
()
r
vf
()
rm,
where v ( f ) is the complex Fourier spectrum component of the velocity (or acceleration) at frequency f
r,j
and at indicator DOFs j
Note 1 to entry: Consistent quantities shall be used throughout: either velocity and mobility, or acceleration and
accelerance.
3.12
measured validation velocity vector
v ( f )
v
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complex velocity (or acceleration) at the validation DOFs (3.10), arranged into a p × 1 vector at each
frequency according to:
vf()
v,1
vf
()
v,2
v ()f =
v
vf
()
vp,
where v ( f ) is the complex Fourier spectrum component of the velocity (or acceleration) at frequency f
v,k
and at indicator degree of freedom k
3.13
predicted validation velocity vector
v ' f
()
v
complex velocity (or acceleration) vector which has the same form as the measured validation velocity
vector (3.12) but contains predicted rather than measured data
Note 1 to entry: It is calculated according to Clause 8.
3.14
operational test
test in which vibration responses are measured at the indicator (3.9) and validation DOFs (3.10) while
the source (3.4) is in operation under a given set of operational conditions (3.16)
3.15
operational test using artificial excitation
test in which vibration responses are measured at the indicator (3.9) and validation DOFs (3.10) in the
same way as for an operational test (3.16) except that the source (3.4) is switched off and excitation is
provided by an instrumented hammer or shaker
3.16
operational conditions
defined set of circumstances under which the source (3.4) operates for the operational test (3.14),
including speed, load and any other settings or conditions particular to the source which can affect
source operation
3.17
artificial excitation
set of circumstances similar to operational conditions (3.16) except that the source (3.4) is switched off and
the source structure is excited artificially by a controlled force from an instrumented hammer or shaker
3.18
background noise conditions
conditions similar to operational conditions (3.16) except that the source (3.4) is switched off while any
other auxiliary equipment required to operate or load the source, e.g. hydraulic pumps, generators or
actuators, and/or other secondary sources of noise, e.g. wind noise, are active
3.19
on-board validation
procedure used for determining the quality of the blocked force (3.1) data
Note 1 to entry: The on-board validation is described in Clause 9.
3.20
frequency response function test
FRF test
test in which the response to a unit point force (mechanical mobility or accelerance) matrix is measured
with the source (3.4) switched off, i.e. under passive conditions
3.21
inversion frequency response function matrix
inversion FRF matrix
Y
rc
m × n matrix of FRFs (3.2) in which the columns correspond to the contact DOFs (3.8) and the rows to
the indicator DOFs (3.9) according to:
Yf Yf
() ()
… Yf()
rc rc
11 12 rc
1 n
Yf()
rc
Y ()f =
rc
Yf() Yf( ))(Yf )
rc rc rc
mm12 mn
where Yf() is the complex mobility (or accelerance) at frequency f for excitation at contact DOF c
i
rc
ji
and response at indicator DOF r
j
Note 1 to entry: Consistent quantities shall be used throughout: either velocity and mobility, or acceleration and
accelerance.
Note 2 to entry: The mobility (accelerance) shall be dimensionally consistent with the contact DOFs and particular
care is required if rotational components (moments) are included in the definition of the blocked force vector.
3.22
validation frequency response function matrix
validation FRF matrix
Y
vc
p × n matrix of FRFs (3.2) in which the columns correspond to the contact DOFs (3.8) and the rows to the
validation DOFs (3.10):
Yf Yf
() ()
… Yf
()
vc vc
vc
11 12
1 n
Yf
()
vc
Y f =
()
vc
Yf Yf … Yf
() ( )) ()
vc vc vc
pp12 pn
where Yf() is the complex mobility (or accelerance) at frequency f for excitation at contact DOF c
vc i
ki
and indicator at validation DOF v
k
3.23
direct excitation
excitation applied to the contact DOFs (3.8) for the FRF test (3.20), as opposed to reciprocal
excitation (7.3.3)
4 Selection of degrees of freedom (DOFs)
4.1 General
Selection of the appropriate DOFs is an essential part of the procedure which can have an important
bearing on the reliability of the results. It is difficult to provide comprehensive guidelines since every
case is unique, however, some general guidelines are given below.
The main sources of error are likely to be related to inconsistency or incompleteness of the data set:
a) incompleteness due to transmission via DOFs not included in the definition of the contact DOFs;
6 © ISO 2019 – All rights reserved
b) inconsistency due to differences in location or direction of the frequency response function (FRF)
excitation compared with the actual operational forces.
Therefore, selection of the appropriate DOFs is important.
It is advisable to agree on the contact DOFs, indicator DOFs and validation DOFs with the client prior to
testing. Also, a preliminary test is recommended (as described in 7.4) in order to test and, if necessary,
refine the selection of contact DOFs.
Particular care is required in determining the DOFs to be included at the interface since small details
can have a strong influence on the results. Examples of particular interface types are provided in
Annex C.
At each DOF, it is essential to adopt a sign convention for the direction of the force and velocity (or
acceleration) and this convention shall be adopted consistently between the operational and FRF tests.
Large errors can result from errors in sign.
NOTE See ISO 7626-1 for advice on polarity of transducers.
4.2 Source receiver interface
The source receiver interface is a hypothetical surface between the source and receiver structures.
The part of the interface where there is solid contact between the source and receiver is known as the
contact area. The contact area need not be continuous and typically consists of one or more points,
lines or areas of contact, such as flanges. The contact area typically coincides with the connections
between separable components, such as a pump and its support structure. However, the choice of the
interface is arbitrary provided that all the source mechanisms which generate structure-borne sound
and vibration are on the source side of the interface.
4.3 Contact DOFs
The contact area typically consists of one or more points, lines or areas of contact at which the source
and receiver structures are physically connected. The n contact DOFs are selected so as to account for
the excitation and coupling between the receiver and the source through these connections. In order
to select the correct DOFs, it is important to understand how the receiver structure is coupled to, and
excited by, the source. Important DOFs can include moments, and in-plane forces as well as normal
forces. Omission of important DOFs can lead to significant errors in the calculation of blocked forces. On
the other hand, inclusion of unnecessary DOFs increases the possibility for inversion errors, particularly
if the corresponding FRF data quality is poor, which is more likely for DOFs that are difficult to excite,
such as moments. Experimentation prior to data acquisition can be required to determine relevant
DOFs, for example using the artificial excitation procedure (see 7.4) combined with onboard validation
[27]
(see 9.2). Additionally, the "Interface Completeness Coefficient" may be employed to help define the
contact DOFs.
For point contact, excitation can occur, in general, in up to six DOFs at each point (three forces and three
moments on orthogonal axes). Continuous line interfaces may, for example, be represented by a set of
discreet points distributed along the line. Small contact areas (small in comparison with a structural
wavelength) may be represented as single equivalent points with up to six DOFs, or as a grid of points. In
all cases, sufficient accelerometers need to be employed so as to capture the dynamics of the structures
in all significant DOFs.
Each contact DOF may correspond directly to an accelerometer. Alternatively, the contact DOFs may
be obtained by combining the signals from several accelerometers, for example by subtracting signals
[30,18]
to give rotational DOFs using the "Finite Difference Method" . Other methods of defining contact
DOFs from combinations of accelerometer signals include, but are not limited to, the "Virtual Point
[26] [31]
Transformation" and "Interface Mobilities" .
4.4 Indicator DOFs
4.4.1 General
The indicator DOFs may coincide fully or partially with the contact DOFs (4.3). Indicator DOFs may
be located anywhere on the receiver including, ideally, at the contact interface. The system shall be
"determined" or "over-determined", which means that there shall be at least as many indicator DOFs as
contact DOFs (i.e., m ≥ n). The indicator DOFs may be fully coincident with the contact DOFs, partially
coincident or not coincident, in other words all, none or some of the indicator DOFs may be at the
contact area.
4.4.2 All indicator DOFs at contact area
In this case, the indicator DOFs are the same as the contact DOFs. The inversion FRF matrix is then
[28]
square and symmetrical. For reasons not fully understood , this arrangement often appears to
provide better results than when the indicator DOFs are away from the interface. However, this option
demands direct excitation at the contact DOFs during the FRF measurement and is not always possible.
4.4.3 No indicator DOF at contact area
In this case, the indicator DOFs are all located away from the contact area. It is thus strongly advised
to over-determine the system by adding more indicator DOFs than contact DOFs, typically by a factor
between 2 and 3. The measured responses should have as much linear independence as possible and
therefore it is advisable to select indicator DOFs which capture different aspects of structural response,
for example by using well-spaced locations and different directions. If reciprocal excitation is to be used
for FRF measurement, then the ease with which these DOFs can be excited in the FRF test is also a factor
to consider since practical difficulties in excitation are a common reason for poor quality FRF data.
4.4.4 Some indicator DOFs at contact area
A third option is to locate some of the indicator DOFs at the contact interface and some elsewhere on the
receiver. In this case, it is also advisable to over-determine the system.
4.5 Validation DOFs
The validation DOFs shall be selected so as to provide responses which are, as far as possible, linearly
independent from those at the indicator DOFs (4.4) which are used in the solution (Clause 8). They shall
not be located at the contact area. They shall be at different locations and/or in different directions to
any of the indicator DOFs so as to provide as much linear independence as possible.
5 Test arrangement
5.1 General
The test may be conducted in situ, i.e. with the source installed in a real installation, or on a specially
designed test stand. The factors to consider in the choice of test arrangement are:
a) representativeness of the receiver in terms of its effect on source mechanisms;
b) design of the test receiver structure for ease of access, avoidance of resonances and non-linearities;
c) the need to avoid secondary noise sources.
5.2 Representativeness of the receiver
Provided the source mechanisms remain constant, the blocked force is theoretically an independent
property of the source and therefore is, in principle, not affected by the installation. However, dynamic
8 © ISO 2019 – All rights reserved
loading of the source by the receiver structure can influence source mechanisms, for example due to
quasi-static deformation of a gearbox under load which can affect gear misalignment. There is little
information available on any such dynamic loading effects; however, it is advisable to ensure that the
test arrangement is representative of any intended installation in order to minimize such effects.
In the case of an in situ test, the test environment is representative by definition. However, some sources
are designed for a range of receivers, in which case it can be desirable to test the same source on a range
of receiver structures representing the intended installations.
If the test receiver is different from that of the intended installation, either because a special test rig
is used or because the intended receivers’ properties are variable, then it is necessary to consider the
representativeness of the receiver. The assumption in this document is that source mechanisms are
not unduly affected if the receiver structure for the test is dynamically similar to that of the intended
installation. Without further study, the requirements for dynamic similarity cannot be precisely
defined. However, for the purposes of this document, the following shall apply:
a) A source intended to be resiliently mounted shall be resiliently mounted for the blocked force test
on mounts of similar dynamic stiffness; it shall be specified whether the mounts are included as
part of the source or the receiver.
b) A source intended to be rigidly mounted shall be rigidly mounted for the blocked force test,
preferably on a structure with dynamic stiffness similar to the intended receiver structure.
Test rigs of the same material and thickness similar to the intended installation are considered
sufficiently similar.
5.3 Design of test receiver
To a large extent, the reliability of the blocked forces obtained by inversion is determined by the
completeness and consistency of the entire data set, including in particular the frequency response
function (FRF) matrix. Therefore, in addition to ensuring representativeness of the test setup, as
described above, the test structure should be designed so as to facilitate the measurements. In
particular, it is desirable to
a) optimize access to the contact degrees of freedom;
b) avoid strong resonances; and
c) avoid secondary noise sources.
Poor access to the excitation points, particularly the contact DOFs, is a major cause of errors in the FRF
matrix which can be amplified on inversion. Therefore, if access to the contact DOFs is restricted in a
real installation, it can be advantageous to employ a specifically designed test rig.
The presence of strong, undamped resonances in the assembly generally makes it more difficult to
obtain reliable blocked forces by inversion. Damping can be added to the test rig without affecting the
dynamic similarity (5.2) and thus it is generally desirable to provide as much damping as possible in the
test receiver. No damping shall be added at the interface or on the source side of the interface.
Non-linearity in the receiver is to be avoided as far as possible. Structures that rattle when struck are
likely to behave non-linearly and should be avoided.
5.4 Avoidance of secondary noise sources
Secondary noise sources are those which are not part of the source under test, but which contribute
to the measured response at the indicator or validation DOF. Examples include devices used to load
the source, such as dynamometers or brakes, and sources which occur during operational conditions,
such as wind noise. A check on such noise sources is included as part of the test procedure described in
Clause 7. Where possible, the test arrangement should be designed so as to minimize the influence of
secondary sources, e.g., by conducting tests on a dynamometer rather than a test track so as to avoid
wind noise.
6 Measuring equipment
6.1 General
The usual measuring equipment and, in particular, the following should be used. Equipment shall be
calibrated in accordance with ISO 7626-1 and ISO 7626-2.
6.2 Multi-channel analyser
The multi-channel analyser shall have a minimum of two channels and ideally sufficient channels to
allow simultaneous measurement at all indicator and validation DOFs, that is, to have at least mp+
channels.
The sampling rate of the analyser shall be sufficient to allow the maximum frequency of interest for
blocked forces to be obtained.
6.3 Vibration sensors
There should ideally be sufficient vibration sensors so as to allow simultaneous measurement of all
indicator and validation DOFs, that is, at least m + p sensors. The sensitivity and noise floor of the
sensors shall be such as to allow measurement of the indicator velocity vector and measured validation
velocity vector during the operational test and also for FRF measurement during the FRF test.
In the event that all responses are not measured simultaneously then sequential measurement
shall be used with one sensor kept in a fixed position so as to provide a phase reference. Sequential
measurements may only be used when the source excitation is precisely repeatable.
NOTE Advice is provided in ISO 7626-1.
6.4 Means of excitation
It is required to excite the assembly in order to measure the FRF matrices during the FRF test. In
principle, an instrumented hammer or shaker can be used, however, the hammer has significant
advantages in terms of flexibility and has proved to provide reliable results.
The means of excitation shall supply excitation forces over a sufficient frequency range to allow FRFs to
be measured over the desired frequency range.
7 Test procedure
7.1 General
The test consists of two parts, the operational test and the FRF test. In addition, a preliminary operational
test using artificial excitation shall be conducted. The steps in the procedure are summarized in the
flow chart in Figure 2.
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Figure 2 — Test procedure
The frequency resolution of the analyser shall be the same for the operational and FRF tests.
Prior to testing, the following shall be defined:
a) the source-receiver interface;
b) the contact DOFs;
c) the indicator DOFs;
d) the validation DOFs;
e) the operational conditions;
f) the background noise conditions.
7.2 Operational test
The operational test shall comprise the
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20270
Première édition
2019-11
Acoustique — Caractérisation des
sources de bruit solidien et de
vibrations — Mesurage indirect des
forces bloquées
Acoustics — Characterization of sources of structure-borne sound and
vibration — Indirect measurement of blocked forces
Numéro de référence
©
ISO 2019
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Sélection des degrés de liberté (DDL) . 6
4.1 Généralités . 6
4.2 Interface source-récepteur . 7
4.3 DDL de contact . 7
4.4 DDL d’indicateur . 8
4.4.1 Généralités . 8
4.4.2 Tous les DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact . 8
4.4.3 Aucun DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact . 8
4.4.4 Certains DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact . 8
4.5 DDL de validation . 8
5 Montage d’essai . 9
5.1 Généralités . 9
5.2 Représentativité du récepteur . 9
5.3 Conception du récepteur d’essai . 9
5.4 Éviter les sources de bruit secondaires .10
6 Appareillage de mesure .10
6.1 Généralités .10
6.2 Analyseur multicanal .10
6.3 Capteurs de vibrations .10
6.4 Moyens d’excitation .11
7 Mode opératoire d’essai.11
7.1 Généralités .11
7.2 Essai en fonctionnement .13
7.3 Essai de fonction de réponse en fréquence (FRF) .13
7.3.1 Généralités .13
7.3.2 Mesurage direct des FRF .13
7.3.3 Mesurage inverse des FRF .13
7.4 Essai préliminaire avec une excitation artificielle .14
8 Procédure d’analyse .14
9 Incertitudes et validation .15
9.1 Généralités .15
9.2 Auto-validation .16
9.3 Validation préliminaire en utilisant une excitation artificielle .16
10 Rapport d’essai .17
Annexe A (informative) Exemple de rapport d’essai: entraînement électrique de l’essieu
arrière d’une voiture particulière; analyse des voies de transfert (TPA) et
estimation des forces bloquées in situ conformément à l’ISO 20270:2019 .18
Annexe B (informative) Essais de la validité des données de mesure .25
Annexe C (informative) Études de cas .27
Annexe D (informative) Critères de sélection des DDL d’indicateur et de validation .32
Annexe E (informative) Prévision du bruit et des vibrations .37
Bibliographie .39
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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 43, Acoustique, sous-comité SC 1, Bruit.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
Introduction
Le présent document a été élaboré en réponse à la demande des industries mécaniques pour une
méthode agréée de spécification de la «force» des sources de bruit solidien et de vibrations. Les
grandeurs qui caractérisent indépendamment une source sont la vitesse libre et la force bloquée:
[2]
l’ISO 9611 spécifie un mode opératoire de mesurage de la vitesse libre dans lequel la machine, source
de vibrations, est montée sur des supports souples pour approcher une condition de suspension libre.
Les forces bloquées sont les forces que la machine en service exercerait si elle était contrainte par une
structure réceptrice parfaitement rigide. Elles peuvent potentiellement être mesurées directement en
insérant des capteurs de force entre la machine en service et un support rigide. Cependant, le présent
document décrit une méthode indirecte de mesurage des forces bloquées utilisant une méthode inverse.
Alors que le mesurage de la vitesse libre exige que le montage de la source soit souple et que le mesurage
direct des forces bloquées exige que les supports de la machine soient bloqués, le mesurage indirect, tel
que défini dans le présent document, peut théoriquement être réalisé avec la source fixée à n’importe
quelle structure réceptrice. Des techniques de mesure sensiblement identiques sont employées pour le
diagnostic du bruit solidien en utilisant une «analyse des voies de transfert» (TPA), également appelée
analyse de la «contribution des voies de transfert de la source» (SPC).
Une méthode de caractérisation des sources de bruit solidien et de vibrations par le mesurage indirect
des forces bloquées aux points de connexion aux structures supports ou réceptrices, est décrite dans le
présent document. La méthode de mesure est appliquée in situ, c’est-à-dire que la source est connectée
à une structure réceptrice pendant la réalisation des mesurages. En théorie, l’utilisation de toute
structure réceptrice est valable à condition que les mécanismes de la source de vibrations du spécimen
restent représentatifs de ceux de l’installation réelle. Par conséquent, la structure réceptrice peut faire
partie d’une installation réelle, telle que le socle d’une machine ou la fondation d’un bâtiment, mais peut
aussi être un banc d’essai conçu spécialement, s’il fournit un chargement dynamique représentatif pour
la source.
La méthode spécifie un mode opératoire de mesurage en deux étapes comprenant tout d’abord un essai
passif au cours duquel les fonctions de réponse en fréquence (FRF) de l’ensemble source-structure
réceptrice sont mesurées, puis un mesurage des vibrations au cours d’un essai en fonctionnement. Les
forces bloquées sont obtenues en résolvant un problème inverse. Il est bien connu que les solutions
inverses de ce type peuvent entraîner des erreurs très importantes, en particulier si les données
d’entrée manquent de cohérence. De telles erreurs varient de manière significative selon le cas et la
compétence de l’opérateur. Par conséquent, un moyen permettant d’estimer les incertitudes associées
à la force bloquée, par un processus appelé auto-validation, constitue un élément essentiel de ce mode
opératoire de mesurage.
Les forces bloquées sont obtenues dans des bandes de fréquences étroites qui peuvent ensuite être
intégrées pour approximer des bandes de fréquences d’octave ou de tiers d’octave approximatives.
La méthode des forces bloquées in situ est destinée à compléter la méthode de la plaque réceptrice
[3]
de l’EN 15657. La méthode de la plaque réceptrice offre une approche simplifiée dans laquelle les
forces et les vitesses sont efficacement moyennées sur les supports d’une machine en service au moyen
d’un montage sur une plaque normalisée. Les approximations permettent de simplifier les mesurages,
mais les informations relatives à la distribution et à la phase des forces et des vitesses sont perdues.
Le présent document vise à fournir une alternative pour les sources de bruit solidien non compatibles
avec l’approche de la plaque réceptrice ou lorsque plus de détails sur la distribution des forces sont
nécessaires.
Les forces bloquées obtenues à l’aide du présent document peuvent être utilisées aux fins suivantes:
a) obtenir des données pour la préparation des spécifications techniques relatives aux composants
actifs (sources) en termes de vibrations;
b) obtenir des données d’entrée pour la prévision des vibrations entrant dans, ou du bruit rayonné
par, des structures reliées à la source;
c) obtenir des informations de diagnostic sur la contribution de forces bloquées particulières aux
vibrations ou à un niveau de pression acoustique cibles (lors de l’analyse in situ des voies de
transfert).
La prévision du bruit et des vibrations dans un nouvel assemblage [comme en b) ci-dessus] ne constitue
pas une partie normative du présent document, bien que des lignes directrices pour la prévision
soient fournies dans l’Annexe E. Pour la prévision, des données supplémentaires sont nécessaires en
complément des forces bloquées mesurées. En particulier, il est nécessaire de connaître les fonctions
de réponse en fréquence (FRF) du nouvel assemblage (qui est constitué de la source reliée à la nouvelle
structure réceptrice). Ces FRF peuvent en principe être mesurées (si l’assemblage est disponible pour le
mesurage), calculées (par exemple, à l’aide de méthodes numériques) ou calculées en combinant les FRF
de la source et des structures réceptrices séparées (sous-structuration dynamique), que celles-ci soient
mesurées ou calculées.
vi © ISO 2019 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 20270:2019(F)
Acoustique — Caractérisation des sources de bruit solidien
et de vibrations — Mesurage indirect des forces bloquées
IMPORTANT — Le fichier électronique du présent document contient des couleurs qui sont
considérées comme utiles pour la bonne compréhension du document. Il convient donc que les
utilisateurs envisagent d’imprimer ce document à l’aide d’une imprimante couleur.
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie une méthode dans laquelle un composant vibrant (une source de bruit
solidien ou de vibrations) est fixé à une structure (ou récepteur) passive et provoque des vibrations
dans l’assemblage ou un rayonnement sonore solidien de l’assemblage. Des pompes installées dans des
navires, des servomoteurs dans des véhicules ou des machines et une installation dans des bâtiments
en sont des exemples. Presque tous les composants vibrants peuvent être considérés comme une source
dans ce contexte.
En raison de la nécessité de mesurer les vibrations à tous les degrés de liberté (DDL) de contact
(connexions entre la source et le récepteur), le présent document ne peut s’appliquer qu’aux assemblages
pour lesquels un tel mesurage est possible.
Le présent document n’est applicable qu’aux assemblages dont les fonctions de réponse en fréquence
(FRF) sont linéaires et invariables dans le temps.
La source peut être installée dans un assemblage réel ou fixé sur un banc d’essai spécialement conçu
(tel que décrit en 5.2).
La méthode normalisée a été validée pour des signaux stationnaires de sorte que les résultats puissent
être présentés dans le domaine de fréquences. Toutefois, la méthode ne se limite pas aux signaux
stationnaires: moyennant un traitement approprié des données, elle est également applicable à des
signaux variant dans le temps tels que des transitoires et des chocs (à condition que la linéarité et
l’invariance dans le temps des FRF soient conservées).
Le présent document fournit une méthode de mesure et de présentation des forces bloquées, ainsi que
des lignes directrices visant à réduire le plus possible l’incertitude. Il fournit une méthode d’évaluation
de la qualité des résultats au moyen d’une procédure d’auto-validation, sans toutefois commenter
l’acceptabilité ou non des résultats.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences 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 7626-1, Vibrations et chocs mécaniques — Détermination expérimentale de la mobilité mécanique —
Partie 1: Termes et définitions fondamentaux et spécification des transducteurs
ISO 7626-2, Vibrations et chocs — Détermination expérimentale de la mobilité mécanique — Partie 2:
Mesurages avec utilisation d'une excitation de translation en un seul point, au moyen d'un générateur de
vibrations solidaire de ce point
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ .
3.1
force bloquée
force dynamique appliquée par une source (3.4) opérationnelle à une structure réceptrice (3.5)
parfaitement rigide
3.2
fonction de réponse en fréquence
FRF
rapport, dépendant de la fréquence, de la transformée de Fourier de la réponse en mouvement à la
transformée de Fourier de la force d’excitation d’un système linéaire
Note 1 à l'article: L’excitation peut être une fonction harmonique, aléatoire ou transitoire du temps. Les résultats
d’essai obtenus avec un type d’excitation peuvent donc être utilisés pour prédire la réponse du système à tout
autre type d’excitation.
Note 2 à l'article: Le mouvement peut être exprimé en termes de vitesse, accélération ou déplacement; les
désignations de la fonction de réponse en fréquence correspondante sont respectivement la mobilité, l’accélérance
et la souplesse dynamique ou l’impédance, la masse effective (c’est-à-dire apparente) et la raideur dynamique.
[SOURCE: ISO 2041:2018, 3.1.53]
3.3
vecteur de force bloquée in situ
f f
()
c
force bloquée (3.1) complexe aux degrés de liberté (DDL) de contact (3.8), présentée sous forme d’un
vecteur n × 1 à chaque fréquence conformément à:
ff
()
c,1
ff()
c,2
f ()f =
c
ff()
cn,
où ff() est la composante complexe du spectre de Fourier de la force bloquée à la fréquence f et au
ci,
degré de liberté (DDL) de contact i
Note 1 à l'article: Les forces peuvent être considérées comme des forces généralisées, c’est-à-dire incluant les
composantes angulaires telles que les moments.
3.4
source
sous-structure active qui contient les mécanismes de génération de bruit solidien ou de vibrations et
comprend toutes les parties de l’assemblage (3.6) du côté actif de l’interface source-récepteur (3.7)
Note 1 à l'article: En général, la source est un composant séparable, bien que cela ne soit pas une exigence pour la
méthode.
Note 2 à l'article: Voir Figure 1.
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3.5
récepteur
sous-structure passive comprenant toutes les parties de l’assemblage (3.6) du côté passif de l’interface
source-récepteur (3.7)
Note 1 à l'article: Le récepteur peut comprendre les parties d’une machine assemblée autres que la source, un
banc d’essai ou une structure de fondation telle qu’un bâtiment.
Note 2 à l'article: Par définition, il n’y a aucun mécanisme source dans le récepteur car il s’agit d’une structure
purement passive.
Note 3 à l'article: Voir Figure 1.
3.6
assemblage
installation comprenant la source (3.4) et le récepteur (3.5) connectés ensemble
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Légende
1 source (structure active)
2 récepteur (structure passive)
3 assemblage
s source d’excitation interne (non accessible)
vecteur de force bloquée in situ à l’ensemble des DDL de contact, c
f
c
v vecteur de vitesse (ou d’accélération) de validation à l’ensemble des DDL de validation, v
v
v vecteur de vitesse (ou d’accélération) d’indicateur à l’ensemble des DDL de validation, r
r
Y FRF type de la structure entre les DDL de validation, v, et les DDL de contact, c
vc
Y FRF type de la structure entre les DDL d’indicateur, r, et les DDL de contact, c
rc
H FRF vibro-acoustique type entre les DDL de prévision, a, et les DDL de contact, c (voir NOTE 3)
ac
p bruit solidien prédit aux DDL, a, dans le fluide autour du récepteur (voir NOTE 3)
a
NOTE 1 Les DDL d’indicateur peuvent être situés n’importe où sur le récepteur, y compris au niveau de
l’interface source-récepteur.
NOTE 2 Le vecteur de force bloquée obtenu peut être utilisé pour prédire les vibrations dans, et le bruit
rayonné par, la structure réceptrice (voir Annexe E).
NOTE 3 Une source de vibrations (1) connectée à un récepteur passif (2) provoque des vibrations (v ) dans, ou
r
un bruit solidien (p ) rayonné par, l’assemblage (3) respectivement au niveau des interfaces (r, v) et (a).
a
L’excitation interne, s, étant inconnue, il est nécessaire de caractériser la source au niveau de l’interface source-
récepteur par les forces bloquées f , déduites de v et de la matrice FRF de l’assemblage Y . Les FRF
c r rc
supplémentaires de la structure, Y , et vibro-acoustique, H , peuvent être utilisées à des fins de validation et de
vc ac
prévision.
Figure 1 — Assemblage d’essai
3.7
interface source-récepteur
surface fictive qui sépare la structure source (3.4) de la structure réceptrice (3.5)
3.8
degrés de liberté de contact
DDL de contact
DDL situés sur l’interface source-récepteur à travers laquelle le bruit solidien ou les vibrations sont
transmis de la source (3.4) à la structure réceptrice (3.5)
Note 1 à l'article: n est le nombre de DDL et c est l’indice utilisé pour les DDL de contact.
Note 2 à l'article: Voir 4.3 pour une définition complète.
3.9
degrés de liberté d’indicateur
DDL d’indicateur
DDL sur le récepteur (3.5) au niveau duquel les réponses vibratoires sont mesurées
Note 1 à l'article: m est le nombre de DDL et r est l’indice utilisé pour les DDL d’indicateur.
Note 2 à l'article: Voir 4.4.
3.10
degrés de liberté de validation
DDL de validation
DDL sur la structure réceptrice (3.5) (pas au niveau de la surface de contact) au niveau de laquelle les
réponses vibratoires «supplémentaires» sont mesurées afin de fournir une comparaison pour l’auto-
validation
Note 1 à l'article: p est le nombre de DDL et v est l’indice utilisé pour les DDL de validation.
Note 2 à l'article: Voir 4.5.
Note 3 à l'article: L’auto-validation est décrite à l’Article 9.
3.11
vecteur de vitesse d’indicateur
v ( f )
r
vitesse complexe (ou accélération) aux DDL d’indicateur (3.9), présentée sous forme d’un vecteur m × 1 à
chaque fréquence conformément à:
vf
()
r,1
vf()
r,2
v ()f =
r
vf()
rm,
où v ( f) est la composante complexe du spectre de Fourier de la vitesse (ou de l’accélération) à la
r,j
fréquence f et aux DDL d’indicateur j
Note 1 à l'article: Des grandeurs cohérentes doivent toujours être utilisées: soit vitesse et mobilité, ou accélération
et accélérance.
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3.12
vecteur de vitesse de validation mesuré
v ( f )
v
vitesse complexe (ou accélération) aux DDL de validation (3.10), présentée sous forme d’un vecteur p × 1
à chaque fréquence conformément à:
vf
()
v,1
vf()
v,2
v ()f =
v
vf()
vp,
où v ( f) est la composante complexe du spectre de Fourier de la vitesse (ou de l’accélération) à la
v,k
fréquence f et au degré de liberté d’indicateur k
3.13
vecteur de vitesse de validation prédit
v '()f
v
vecteur de vitesse complexe (ou accélération) qui a la même forme que le vecteur de vitesse de validation
mesuré (3.12), mais contient des données prédites plutôt que mesurées
Note 1 à l'article: Il est calculé conformément à l’Article 8.
3.14
essai en fonctionnement
essai au cours duquel les réponses vibratoires sont mesurées aux DDL d’indicateur (3.9) et de validation
(3.10) alors que la source (3.4) fonctionne dans un ensemble donné de conditions de fonctionnement (3.16)
3.15
essai en fonctionnement en utilisant une excitation artificielle
essai au cours duquel les réponses vibratoires sont mesurées aux DDL d’indicateur (3.9) et de validation
(3.10) de la même manière que pour un essai en fonctionnement (3.16), excepté que la source (3.4) est
désactivée et que l’excitation est fournie par un marteau instrumenté ou un générateur de vibrations
3.16
conditions de fonctionnement
ensemble défini de circonstances dans lesquelles la source (3.4) fonctionne pour l’essai en fonctionnement
(3.14), incluant la vitesse, la charge et tous les autres réglages ou conditions particulières pour la source
susceptibles d’avoir une incidence sur le fonctionnement de la source
3.17
excitation artificielle
ensemble de circonstances similaires aux conditions de fonctionnement (3.16), excepté que la source (3.4)
est désactivée et que la structure source est excitée artificiellement par une force contrôlée exercée par
un marteau instrumenté ou un générateur de vibrations
3.18
conditions de bruit de fond
conditions similaires aux conditions de fonctionnement (3.16), excepté que la source (3.4) est désactivée
alors que tous les autres équipements auxiliaires requis pour faire fonctionner ou charger la source,
par exemple pompes hydrauliques, générateurs ou actionneurs, et/ou d’autres sources secondaires de
bruit, par exemple bruit du vent, sont actifs
3.19
auto-validation
procédure utilisée pour déterminer la qualité des données de force bloquée (3.1)
Note 1 à l'article: L’auto-validation est décrite à l’Article 9.
3.20
essai de fonction de réponse en fréquence
essai de FRF
essai au cours duquel la réponse à une matrice de force unitaire ponctuelle (mobilité mécanique ou
accélérance) est mesurée avec la source (3.4) désactivée, c’est-à-dire dans des conditions passives
3.21
matrice de fonction de réponse en fréquence d’inversion
matrice de FRF d’inversion
Y
rc
matrice m × n de FRF (3.2) dans laquelle les colonnes correspondent aux DDL de contact (3.8) et les
lignes aux DDL d’indicateur (3.9) conformément à:
Yf Yf
() ()
… Yf
()
rc rc
rc
11 12
1 n
Yf
()
rc
Y ()f =
rc
Yf Yf Yf
() ( ))( )
rc rc rc
mm12 mn
où Yf() est la mobilité complexe (ou accélérance) à la fréquence f pour une excitation au DDL de
rc
ji
contact c et une réponse au DDL d’indicateur r
i j
Note 1 à l'article: Des grandeurs cohérentes doivent toujours être utilisées: soit vitesse et mobilité, ou accélération
et accélérance.
Note 2 à l'article: La mobilité (accélérance) doit être cohérente, d’un point de vue dimensionnel, avec les DDL de
contact et une attention particulière est requise si les composantes angulaires (moments) sont incluses dans la
définition du vecteur de force bloquée.
3.22
matrice de fonction de réponse en fréquence de validation
matrice de FRF de validation
Y
vc
matrice p × n de FRF (3.2) dans laquelle les colonnes correspondent aux DDL de contact (3.8) et les
lignes aux DDL de validation (3.10):
Yf() Yf()
… Yf
()
vc vc
vc
11 12
1 n
Yf
()
vc
Y f =
()
vc
Yf Yf … Yf
() ( )) ()
vc vc vc
pp12 pn
où Yf est la mobilité complexe (ou accélérance) à la fréquence f pour une excitation au DDL de
()
vc
ki
contact c et un indicateur au DDL de validation v
i k
3.23
excitation directe
excitation appliquée aux DDL de contact (3.8) pour l’essai de FRF (3.20), par opposition à une excitation
inverse (7.3.3)
4 Sélection des degrés de liberté (DDL)
4.1 Généralités
La sélection des DDL appropriés est un élément essentiel du mode opératoire qui peut avoir une
incidence importante sur la fiabilité des résultats. Il est difficile de fournir des lignes directrices
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complètes car chaque cas est unique; toutefois, certaines lignes directrices générales sont données
ci-après.
Les principales sources d’erreur sont susceptibles d’être liées au manque de cohérence ou d’exhaustivité
de l’ensemble de données:
a) manque d’exhaustivité dû à la transmission via des DDL non inclus dans la définition des DDL de
contact;
b) manque de cohérence dû à des différences d’emplacement ou de direction de l’excitation de la
fonction de réponse en fréquence (FRF) par rapport aux forces opérationnelles réelles.
Par conséquent, la sélection des DDL appropriés est importante.
Il est conseillé de convenir avec le client des DDL de contact, des DDL d’indicateur et des DDL de
validation préalablement aux essais. De plus, un essai préliminaire est recommandé (tel que décrit
en 7.4) afin d’évaluer et, si nécessaire, d’affiner la sélection des DDL de contact.
Une attention particulière est requise lors de la détermination des DDL devant être inclus au niveau
de l’interface car de petits détails peuvent avoir une forte influence sur les résultats. Des exemples de
types d’interface particuliers sont donnés dans l’Annexe C.
À chaque DDL, il est essentiel d’adopter une convention de signe pour la direction de la force et la
vitesse (ou l’accélération) et cette convention doit être adoptée de façon cohérente pour les essais en
fonctionnement et les essais de FRF. Des erreurs importantes peuvent résulter d’erreurs de signe.
NOTE Voir l’ISO 7626-1 pour des conseils sur la polarité des transducteurs.
4.2 Interface source-récepteur
L’interface source-récepteur est une surface fictive entre la source et les structures réceptrices. La
partie de l’interface où existe un contact solide entre la source et le récepteur est connue en tant que
surface de contact. La surface de contact peut ne pas être continue et elle est généralement constituée
d’un ou plusieurs points, lignes ou zones de contact, telles que des brides. La surface de contact coïncide
généralement avec les connexions entre des composants dissociables, tels qu’une pompe et sa structure
support. Toutefois, le choix de l’interface est arbitraire, à condition que tous les mécanismes de la source
qui génèrent un bruit solidien et des vibrations soient du côté source de l’interface.
4.3 DDL de contact
La surface de contact est généralement constituée d’un ou plusieurs points, lignes ou zones de contact
au niveau desquels la source et les structures réceptrices sont physiquement connectées. Les DDL de
contact n sont sélectionnés de manière à tenir compte de l’excitation et du couplage entre le récepteur et
la source à travers ces connexions. Pour sélectionner les DDL appropriés, il est important de comprendre
comment la structure réceptrice est couplée à la source et excitée par celle-ci. Les DDL importants
peuvent inclure des moments, et des forces dans le plan ainsi que des forces normales. L’omission de DDL
importants peut conduire à des erreurs significatives dans le calcul des forces bloquées. Par contre, la
prise en compte de DDL inutiles augmente la possibilité d’erreurs d’inversion, en particulier si la qualité
des données de FRF correspondantes est mauvaise, ce qui est plus probable pour des DDL difficiles
à exciter, tels que des moments. Une expérimentation préalable à l’acquisition de données peut être
requise pour déterminer les DDL pertinents, par exemple en utilisant le mode opératoire d’excitation
artificielle (voir 7.4) combiné à une auto-validation (voir 9.2). En outre, le «coefficient de complétude de
[27]
l’interface» peut être employé pour aider à définir les DDL de contact.
Dans le cas d’un contact ponctuel, une excitation peut se produire, en général dans six DDL au maximum
à chaque point (trois forces et trois moments sur des axes orthogonaux). Les interfaces en ligne continue
peuvent, par exemple, être représentées par un ensemble de points discrets répartis le long de la ligne.
Les petites surfaces de contact (petites par rapport à une longueur d’onde structurale) peuvent être
représentées sous forme de points uniques équivalents avec six DDL au maximum, ou par une grille
de points. Dans tous les cas, il est nécessaire d’utiliser suffisamment d’accéléromètres pour saisir la
dynamique des structures dans tous les DDL importants.
Chaque DDL de contact peut correspondre directement à un accéléromètre. Les DDL de contact
peuvent également être obtenus en combinant les signaux de plusieurs accéléromètres, par exemple
en soustrayant les signaux pour obtenir les DDL de rotation à l’aide de la «méthode des différences
[30,18]
finies» . D’autres méthodes de définition des DDL de contact à partir de combinaisons de signaux
[26]
d’accéléromètres comprennent, sans toutefois s’y limiter, la «transformation du point virtuel» et les
[31]
«mobilités d’interface» .
4.4 DDL d’indicateur
4.4.1 Généralités
Les DDL d’indicateur peuvent coïncider totalement ou partiellement avec les DDL de contact (4.3). Les
DDL d’indicateur peuvent être situés n’importe où sur le récepteur, y compris idéalement au niveau
de l’interface de contact. Le système doit être «déterminé» ou «surdéterminé», ce qui signifie qu’il
doit y avoir au moins autant de DDL d’indicateur que de DDL de contact (c’est-à-dire, m ≥ n). Les DDL
d’indicateur peuvent coïncider totalement, partiellement ou pas du tout avec les DDL de contact; en
d’autres termes, tous, aucun ou certains des DDL d’indicateur peuvent se situer au niveau de la surface
de contact.
4.4.2 Tous les DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact
Dans ce cas, les DDL d’indicateur sont identiques aux DDL de contact. La matrice de FRF d’inversion est
[28]
alors carrée et symétrique. Pour des raisons qui ne sont pas entièrement comprises, cette disposition
semble souvent fournir de meilleurs résultats que lorsque les DDL d’indicateur sont situés à distance
de l’interface. Toutefois, cette option demande une excitation directe aux DDL de contact pendant le
mesurage des FRF, ce qui n’est pas toujours possible.
4.4.3 Aucun DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact
Dans ce cas, les DDL d’indicateur sont tous situés à distance de la surface de contact. Il est donc
fortement conseillé de surdéterminer le système en ajoutant plus de DDL d’indicateur que de DDL de
contact, généralement selon un facteur compris entre 2 et 3. Il convient que les réponses mesurées aient
une indépendance linéaire aussi importante que possible et il est donc conseillé de sélectionner des DDL
d’indicateur qui enregistrent différents aspects de la réponse de la structure, par exemple en utilisant
des emplacements bien espacés et différentes directions. Si une excitation inverse doit être utilisée
pour le mesurage des FRF, la facilité avec laquelle ces DDL peuvent être excités est aussi un facteur
à prendre en considération car des difficultés pratiques dans l’excitation sont une cause courante de
mauvaise qualité des données de FRF.
4.4.4 Certains DDL d’indicateur au niveau de la surface de contact
Une troisième option consiste à positionner certains des DDL d’indicateur au niveau de la surface de
contact et les autres ailleurs sur le récepteur. Dans ce cas, il est également conseillé de surdéterminer le
système.
4.5 DDL de validation
Les DDL de validation doivent être sélectionnés de manière à fournir des réponses qui soient autant que
possible linéairement indépendantes de celles obtenues au niveau des DDL d’indicateur (4.4) utilisés
dans la solution (Article 8). Ils ne doivent pas être situés au niveau de la surface de contact. Ils doivent
être situés à des emplacements différents et/ou dans des directions différentes par rapport aux DDL
d’indicateur afin d’obtenir autant d’indépendance linéaire que possible.
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5 Montage d’essai
5.1 Généralités
L’essai peut être réalisé in situ, c’est-à-dire avec la source installée dans une structure réelle, ou sur
un banc d’essai spécialement conçu. Les facteurs à prendre en considération pour le choix du montage
d’essai sont:
a) la représentativité du récepteur en termes de son effet sur les mécanismes de la source;
b) la conception de la structure réceptrice d’essai pour faciliter l’accès, éviter les résonances et les
non-linéarités;
c) la nécessité d’éviter les sources de bruit secondaires.
5.2 Représentativité du récepteur
Sous réserve que les mécanismes de la source restent constants, la force bloquée est théoriquement
une propriété indépendante de la source et n’est donc, en principe, pas affectée par l’installation.
Toutefois, la charge dynamique de la source par la structure réceptrice peut influer sur les mécanismes
de la source, par exemple en raison d’une déformation quasi statique d’une boîte d’engrenages sous
charge qui peut affecter le défaut d’alignement des engrenages. Bien que l’on ne dispose que de peu
d’informations sur de tels effets de charge dynamique, il est recommandé de s’assurer que le montage
d’essai est représentatif de toute installation prévue afin de réduire le plus possible ces effets.
Dans le cas d’un essai in situ, l’environnement d’essai est par définition représentatif. Toutefois, certaines
sources sont conçues pour une gamme de récepteurs, auquel cas il peut être souhaitable de soumettre à
essai la même source sur une gamme de structures réceptrices représentant les installations prévues.
Si le récepteur d’essai est différent de celui de l’installation prévue, soit parce qu’un banc d’essai spécial
est utilisé ou parce que les propriétés des récepteurs prévus sont variables, il est alors nécessaire
d’examiner la représentativité du récepteur. Dans le présent document, l’hypothèse est que les
mécanismes de la source ne sont pas trop affectés si la structure réceptrice utilisée pour l’essai est
similaire, d’un point de vue dynamique, à celle de l’installation prévue. Sans étude complémentaire,
les exigences de similitude dynamique ne peuvent pas être définies avec précision. Toutefois, pour les
besoins du présent document, les exigences suivantes doivent s’appliquer:
a) une source destinée à être montée de façon élastique doit être montée de façon élastique pour
l’essai de force bloquée sur des supports ayant une rigidité dynamique similaire; il est nécessaire
de spécifier si les supports font partie intégrante de la source ou du récepteur;
b) une source destinée à être montée de façon rigide doit être montée de façon rigide pour l’essai de
force bloquée, de préférence sur une structure ayant une rigidité dynamique similaire à celle de la
structure réceptrice prévue. Les bancs d’essai constitués du même matériau et ayant une épaisseur
similaire à l’installation prévue sont considérés comme étant suffisamment similaires.
5.3 Conception du récepteur d’essai
La fiabilité des forces bloquées obtenues par inversion est, dans une large mesure, déterminée par
l’exhaustivité et la cohérence de l’ensemble de données complet, y compris notamment la matrice de
fonction de réponse en fréquence (FRF). Par conséquent, outre le fait de s’assurer de la représentativité
du montage d’essai, comme décrit ci-dessus, il convient de concevoir la structure d’essai de manière à
faciliter les mesurages. En particulier, il est souhaitable:
a) d’optimiser l’accès aux degrés de liberté de contact;
b) d’éviter les fortes résonances; et
c) d’éviter les sources de bruit secondaires.
...
Questions, Comments and Discussion
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