ISO 15086-3:2008
(Main)Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise characteristics of components and systems — Part 3: Measurement of hydraulic impedance
Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise characteristics of components and systems — Part 3: Measurement of hydraulic impedance
ISO 15086-3:2008 describes the procedure for the determination of the impedance characteristics of hydraulic components, by means of measurements from pressure transducers mounted in a pipe. ISO 15086-3:2008 is applicable to passive components, irrespective of size, operating under steady-state conditions, over a frequency range from 10 Hz to 3 kHz.
Transmissions hydrauliques — Évaluation des caractéristiques du bruit liquidien des composants et systèmes — Partie 3: Mesurage de l'impédance hydraulique
L'ISO 15086-3:2008 décrit le mode opératoire de détermination des caractéristiques d'impédance des composants hydrauliques à partir de mesurages effectués par des capteurs de pression montés dans la tuyauterie. L'ISO 15086-3:2008 est applicable aux composants passifs, quelle que soit leur taille, fonctionnant en régime permanent sur une plage de fréquences comprise entre 10 Hz et 3 kHz.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15086-3
First edition
2008-12-15
Hydraulic fluid power — Determination of
the fluid-borne noise characteristics of
components and systems —
Part 3:
Measurement of hydraulic impedance
Transmissions hydrauliques — Évaluation des caractéristiques du bruit
liquidien des composants et systèmes —
Partie 3: Mesurage de l'impédance hydraulique
Reference number
ISO 15086-3:2008(E)
©
ISO 2008
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ISO 15086-3:2008(E)
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ISO 15086-3:2008(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 1
4 Symbols . 3
5 Test conditions and accuracy of instrumentation . 4
5.1 Test conditions (permissible variations). 4
5.2 Instrumentation precision. 4
6 Measurement of the impedance of a single-port passive component . 5
6.1 Local impedance — Measurement principle. 5
6.2 Hydraulic impedance. 5
6.3 Factors influencing the accuracy of the impedance measurement . 7
6.4 Measurement of local impedance . 9
7 Measurement of the admittance matrix and impedance matrix of a two-port passive
hydraulic component. 13
7.1 Definitions and principles of measurement of the admittance matrix and impedance
matrix of a two-port passive hydraulic component . 13
8 Test report . 22
8.1 General. 22
8.2 General information. 22
8.3 Test data . 22
9 Identification statement (Reference to this part of ISO 15086) . 23
Bibliography . 24
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ISO 15086-3:2008(E)
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
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International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
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ISO 15086-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 131, Fluid power systems, Subcommittee SC 8,
Product testing.
ISO 15086 consists of the following parts, under the general title Hydraulic fluid power — Determination of the
fluid-borne noise characteristics of components and systems:
⎯ Part 1: Introduction
⎯ Part 2: Measurement of the speed of sound in a fluid in a pipe
⎯ Part 3: Measurement of hydraulic impedance
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ISO 15086-3:2008(E)
Introduction
In hydraulic fluid power systems, power is transmitted and controlled through a liquid under pressure within a
closed circuit. During the process of converting mechanical power into fluid power, fluid-borne noise (flow
fluctuations and pressure fluctuations) is generated, which in turn leads to structure-borne noise and airborne
noise. The transmission of fluid-borne noise is influenced by the impedance of the components installed in the
hydraulic circuit.
This part of ISO 15086 adopts the concepts of ISO 15086-1 which describe the basis for the methods of
measurement that make it possible to determine the characteristics of fluid-borne noise emitted or transmitted
by hydraulic transmission systems.
Clause 6 of this part of ISO 15086 describes the method for measuring the hydraulic impedance of a single-
port component (local hydraulic impedance) and Clause 7 describes the method for measuring the hydraulic
impedance matrix of a two-port hydraulic component.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15086-3:2008(E)
Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise
characteristics of components and systems —
Part 3:
Measurement of hydraulic impedance
1 Scope
This part of ISO 15086 describes the procedure for the determination of the impedance characteristics of
hydraulic components, by means of measurements from pressure transducers mounted in a pipe.
This part of ISO 15086 is applicable to passive components, irrespective of size, operating under steady-state
conditions, over a frequency range from 10 Hz to 3 kHz.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application 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 1000, SI units and recommendations for the use of their multiples and of certain other units
ISO 5598, Fluid power systems and components — Vocabulary
ISO 1219-1, Fluid power systems and components — Graphic symbols and circuit diagrams — Part 1:
Graphic symbols for conventional use and data-processing applications
ISO 15086-1:2001, Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise characteristics of
components and systems — Part 1: Introduction
ISO 15086-2: 2000, Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise characteristics of
components and systems — Part 2: Measurement of the speed of sound in a fluid in a pipe
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 5598 and the following apply.
3.1
flow ripple
fluctuating component of flow rate in hydraulic fluid
3.2
pressure ripple
fluctuating component of pressure in hydraulic fluid
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ISO 15086-3:2008(E)
3.3
wide-band pulse generator
hydraulic component generating a periodic flow ripple and consequently pressure ripple in a circuit, or an
hydraulic component generating a pressure ripple and, consequently, a flow ripple in a circuit
3.4
fundamental frequency
lowest frequency of pressure ripple (or flow ripple) considered in a theoretical analysis or measured by an
instrument
EXAMPLE An hydraulic pump or motor with a shaft frequency of N revolutions per second can be taken to have a
fundamental frequency of N Hz. Alternatively, for a pump or motor with k displacement elements, the fundamental
frequency can be taken to be Nk Hz, provided that the measured behaviour does not deviate significantly from cycle to
cycle.
3.5
harmonic
sinusoidal component of a signal that occurs at an integer multiple of the fundamental frequency
NOTE An harmonic can be represented by its amplitude and phase, or by its real and imaginary parts.
3.6
impedance
ratio of the pressure ripple to the flow ripple occurring at a given point in a hydraulic system and at a given
frequency
3.7
admittance
reciprocal of impedance
3.8
characteristic impedance
〈of a pipeline〉 impedance of an infinitely long pipeline of constant cross-sectional area
3.9
hydro-acoustic energy
fluctuating part of the energy in a liquid
3.10
wide-band noise
hydro-acoustic energy distributed over the frequency spectrum
3.11
port-to-port symmetry
property of a two-port component in which the wave propagation characteristics remain the same when the
port connections to the circuit are reversed
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ISO 15086-3:2008(E)
4 Symbols
The symbols used in this part of ISO 15086 are defined as shown in Table 1.
Table 1 — Symbols
Symbol Description Unit
3 −1 −1
A Complex coefficient (term of admittance matrix between transducer m⋅s ⋅Pa
e
PT3 and component 0)
3 −1 −1
A Complex coefficient (term of admittance matrix between transducers m⋅s ⋅Pa
x
PTx and PT3)
3 −1 −1
A Terms of admittance matrix (for x and y equal to 1 or 2) m⋅s ⋅Pa
xy
3 −1 −1
B Complex coefficient (term of admittance matrix between transducer m⋅s ⋅Pa
e
PT3 and component 0)
3 −1 −1
B Complex coefficient (term of admittance matrix between transducers m⋅s ⋅Pa
x
PTx and PT3)
−1
c Speed of sound in the fluid m⋅s
f Minimum frequency Hz
min
f Maximum frequency Hz
max
H Transfer function between pressure ripples P and P —
x3 x 3
L Distance between transducers m
p Mean test pressure MPa
m
P Fourier transform of pressure ripple at upstream port of component Pa
e
P Fourier transform of pressure ripple at downstream port of component Pa
s
P Fourier transform of pressure ripple at location x , where x is the Pa
x
number of the pressure transducer, equal to 1, 2 or 3, corresponding
to PT1, PT2 or PT3, respectively
P , P Fourier transform of pressure ripple at the location of pressure Pa
1 2
and P transducer 1 (PT1), pressure transducer 2 (PT2) and pressure
3
transducer 3 (PT3), respectively
3 −1
Q Fourier transform of flow ripple into upstream port of component (0) m⋅s
e→0
3 −1
Q Fourier transform of flow ripple into downstream port of m⋅s
s→0
component (0)
x Number of the pressure transducer, equal to 1, 2 or 3, corresponding —
to PT1, PT2 or PT3, respectively
Z Impedance
e
−6 2 −1
ν Kinematic viscosity cSt (1 cSt = 10 ⋅m⋅s )
θ Phase of harmonic component (pressure or flow ripple, as degree (°)
appropriate)
dθ Phase precision of the Fourier analyser degree (°)
Units used in this part of ISO 15086 are in accordance with ISO 1000.
Graphical symbols are in accordance with ISO 1219-1 unless otherwise stated.
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ISO 15086-3:2008(E)
5 Test conditions and accuracy of instrumentation
5.1 Test conditions (permissible variations)
5.1.1 General
The required operating conditions shall be maintained throughout each test within the limits specified in
Table 2.
Table 2 — Permissible variations in test conditions
Test parameter Permissible variation
Mean flow ± 2 %
Mean pressure ± 2 %
Temperature ± 2 °C
5.1.2 Fluid temperature
The temperature of the fluid shall be that measured at the measuring pipe inlet.
5.1.3 Fluid density and viscosity
The density and viscosity of the fluid shall be known to an accuracy within the limits specified in Table 3.
Table 3 — Required accuracy of fluid property data
Property Required accuracy
%
Density ± 2
Viscosity ± 5
5.1.4 Mean fluid pressure
The mean fluid pressure of the fluid shall be that measured at the measuring pipe inlet.
5.1.5 Mean flow measurement
The mean flow measurement shall be measured downstream of the measuring pipe (e.g. in cases where the
mean flow influences the terms of the admittance or impedance matrix).
5.2 Instrumentation precision
5.2.1 Steady-state accuracy class
The accuracy required shall be in accordance with the values given in ISO 15086-1:2001, Annex A.
5.2.2 Dynamic-state accuracy class
The accuracy required shall be in accordance with the values given in ISO 15086-1:2001, Annex B.
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ISO 15086-3:2008(E)
6 Measurement of the impedance of a single-port passive component
6.1 Local impedance — Measurement principle
The hydraulic impedance, Z , of a component with a single-port connection is defined by Equation (1) and
e
shown diagrammatically in Figure 1:
P
e
Z = (1)
e0→
Q
e0→
where
P is the Fourier transform of the pressure ripple at the component inlet;
e
Q is the Fourier transform of the flow ripple entering the component and regarded as positive when
e→0
entering the 0 component.
In the high-frequency ranges (> 10 Hz), no convenient systems exist to measure the flow Q .
e→0
To enable a pulsating flow to be inferred, this test method requires the use of a rigid hydraulic pipe fitted with
dynamic pressure transducers having a sufficiently high bandwidth and with the distances between the
transducers selected according to the frequency range of interest.
Key
1 component 0
Figure 1 — Key parameters in the measurement of impedance of a single-port component
6.2 Hydraulic impedance
6.2.1 Measurement principle
Figure 2 illustrates the principle for measuring the impedance, Z , at the inlet of the single-port component (0).
e
NOTE It is important to remember that a passive component is not itself a generator of hydro-acoustic energy.
Three dynamic pressure transducers (PT1 to PT3) are connected to the rigid pipe constituting the flow-ripple
measuring pipe at transducer PT3.
It is assumed that appropriate technical measures have been taken to ensure that the speed of sound in the
fluid between PT1 and PT3 is uniform. This requires that the mean temperature of the fluid in the measuring
pipe be uniform to within 2 °C along its length.
The speed of the sound in the measuring pipes can be determined by means of the three pressure
transducers, PT1 to PT3, in accordance with the algorithm described in ISO 15086-2.
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ISO 15086-3:2008(E)
Key
1 pulse generator
2 component 0
PT1, PT2, PT3 location of pressure transducers 1, 2 and 3, respectively
Figure 2 — Principle of measuring the impedance of a single port component
6.2.2 Simplified algorithm for determining the component of the local hydraulic impedance
The flow being determined at the upstream port of component (0) is Q .
3→0
A and B are the elements of the admittance matrix describing the pipe between PTx and PT3 where x is 1 or
x x
2 depending on the transducers selected to determine the flows.
A and B are the elements of the admittance matrix describing the pipe between the inlet of the single-port
e e
component (0) and PT3.
By referring to ISO 15086-1, which provides the basic definitions, the algebraic relationships shown in
Equations (2) to (5) are obtained.
QQ=− =−(AP +BP) (2)
30→→3 x xx3 x
AQ
e3→0 22
QA=− + −BP (3)
e0→ ()e e 3
B
e
QAP
30→ e 3
P=− (4)
e
BB
ee
P
e
Z = (5)
e0→
Q
e0→
QA−P
30→ e 3
=
22
AB−−P AQ
()
ee 3 e3→0
−+AP B P−A P
()
xx3ex 3
=
22
A−+BP A AP+BP
()
()
ee 3 e x3 xx
Equation (6) for the measurement of the component hydraulic impedance, Z , is derived by dividing the
e→0
numerator and the denominator of Equation (5) by P :
3
P
x
−−AA−B
xxe
P
3
Z = (6)
e0→
P
22
x
AB−+AA+AB
eeexxe
P
3
where x is equal to 1 or 2 according to the frequency ranges being measured.
6 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 15086-3:2008(E)
The transfer function, P /P , can be directly measured by a suitable frequency-response analyser, but due
x 3
account shall be taken of the pressure-transducer calibration (see 6.3.3).
6.3 Factors influencing the accuracy of the impedance measurement
6.3.1 General
The various factors influencing the accuracy of the impedance measurement and the precautions to take as a
result are described in 6.3.2.
6.3.2 Pulse generator
It is necessary to have a device that is capable of producing a strong pressure ripple with a frequency and an
amplitude stable over the required frequency range. Suitable devices are
a) a piston pump or other pump with a broad-band pressure ripple,
b) a specially designed rotary valve that produces regular flow ripples,
c) an electrodynamic vibrator and actuator,
d) a high-frequency response servovalve,
e) a piezoelectric actuator.
Items c) to e) can be excited using a swept-sinusoid, a periodic broad-band waveform or a random signal.
6.3.3 Pressure transfer function measured by the PTx/PT3 pressure transducers and the calibration
correction
An accurate measurement of the P /P transfer function requires an initial calibration of the PTx/PT3
x 3
transducers.
Calibration shall be undertaken using the technique described in ISO 15086-2:2000, 8.5.
The transducers shall be calibrated under environmental conditions identical to those pertaining for the
impedance measurement (e.g. the same mean fluid pressure and same fluid temperature).
Settings of the analyser during calibration shall be identical to those during the impedance measurements (e.g.
the same measurement range, window shape, analysis band, signal averaging).
The coherence function obtained when measuring the transfer functions by means of the Fourier analyser is
an excellent indication of the validity of the measurements when the signal-to-noise ratio of the transducers is
adequate.
The pressure-excitation source level shall be such that the coherence function of the transfer functions
measured is greater than 0,95. By averaging a sufficiently large number of spectra, it can be possible to
improve the coherence for frequencies where the excitation is low.
The transfer-function measurements taken when measuring the impedances shall be corrected through the
use of the calibration transfer functions (see ISO 15086-2:2000, 8.5).
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ISO 15086-3:2008(E)
6.3.4 Numerical value of terms A and B of the pipe section admittance matrix used for the indirect
determination of the pulsed flows
6.3.4.1 General
The admittance matrix terms A and B depend on five factors:
a) transducer spacing;
b) measuring pipe internal diameter;
c) speed of sound in the fluid in the measuring pipe;
d) fluid kinematic viscosity;
e) fluid density.
6.3.4.2 Transducer spacing
6.3.4.2.1 General
The distances between the transducers shall be suitable for the range of analysis frequencies selected and for
the upper and lower limits of this analysis band. Generally, one single spacing value is inadequate for carrying
out a measurement over a wide frequency range.
At high frequencies, the limitation is due to the fact that the analysis becomes indeterminate when the
distance between transducers is equal to half of the wavelength of the pressure ripples.
At very low frequencies, the limitation is due to the fact that the amplitude ratio approaches unity and the
phase shift between the transducers approaches zero. The analysis becomes inaccurate when the phase shift
between the transducers is less than 10 times the accuracy of the analyser's phase measurement capability.
The distances between the transducers should be measured with an accuracy of ± 1 mm.
6.3.4.2.2 Practical rules for establishing the transducer spacing
Firstly, using Equation (7), determine the distance, L, for an upper frequency limit, f , where L is the
max
distance between the transducers selected to measure the impedance between PT1 and PT3 or between PT2
and PT3.
0,95⋅ c
L u (7)
2⋅ f
max
−1
EXAMPLE 1 Substituting f = 1 600 Hz and c = 1 300 m s into Equation (7) gives
max
−1
0,95⋅⋅1300 m s
Lu
2(⋅ 1600Hz)
Lu 0,386 m
With the distance, L, established, the lower limit of the frequency measurement, f , can be estimated using
min
Equation (8):
d1θ⋅0
ff=⋅ (8)
min max
180
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ISO 15086-3:2008(E)
EXAMPLE 2 If dθ of the analyser is 0,5°, then Equation (8) gives
1600⋅⋅(0,5) 10
f=≈ 44 Hz
min
180
Thus a spacing of 0,386 m allows the correct transfer function measurement in a frequency range between an
f equal to 44 Hz and an f equal to 1 600 Hz.
min max
The distance between transducer PT3 and the upstream port of component (0) shall be between 0,1 L and
0,2 L.
6.3.4.3 Speed of sound in the fluid in the measuring pipe
The speed of sound is used in the determination of the admittance matrix terms describing the measuring
pipes.
This parameter depends on the temperature and mean pressure of the fluid flowing in the measuring pipes;
these parameters shall, therefore, be set according to the desired test conditions and maintained within the
limits specified in Table 2 during the measurements.
6.3.4.4 Density of the fluid circulating in the measuring pipes
The density is used in the determination of the admittance matrix terms describing the measuring pipes.
This parameter depends on the temperature and mean pressure of the fluid flowing in the measuring pipes;
these parameters shall, therefore, be set according to the desired test conditions and maintained within the
limits specified in Table 2 during the measurements.
6.4 Measurement of local impedance
6.4.1 Test circuit
6.4.1.1 Simplified circuit
A simplified test circuit suitable for measuring the hydraulic impedance of a single-port component is shown in
Figure 3.
The test circuit is comprised of the following components:
a) hydraulic pump and electric motor, to ensure that the mean flow and mean pressure of the component
being tested are supplied; the pump shall be protected by means of a safety valve;
b) connecting hose, to connect the pump outlet to the test circuit; if the pump generates a pressure-ripple
level much greater than the pulse generator, it can be necessary to reduce the pressure-ripple level at the
pump outlet by means of this hose or another attenuating system; otherwise, the pressure-ripple level of
the pump can saturate the dynamic pressure transducers PT1 to PT3, or can prevent accurate
measurement of the harmonics of the pressure ripple from the pulse generator (see 6.4.1.2);
c) rigid pipe, in which the pressure transducers are mounted as shown in Figure 3, with the distance
between the transducers suited to the band of frequencies used;
d) three pressure transducers (PT1 to PT3) arranged on rigid pipes upstream and downstream of the
component (preferably miniature flush-membrane-type piezoelectric transducers), used to determine the
pressure ripple and flow ripple in the pipes and the speed of sound in the test fluid;
e) pulse generator, capable of generating pulses in the selected frequency band with an adequate level to
obtain the correct signal-to-noise ratio (see 6.3.2);
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ISO 15086-3:2008(E)
f) adjustable restrictor, to allow adjustment of the mean pressure, p , downstream of the test circuit
m
controlled by the pressure gauge;
g) cooler (heat exchanger), to ensure temperature regulation of the test fluid controlled by the thermometer;
h) optional mean flowmeter for use in case the mean flow rate in the component under test influences its
hydro-acoustic characteristics;
i) component under test;
j) precision transducer or pressure gauge used to monitor the mean pressure during the test.
Key
1 pressure transducers 7 relief valve
2 Fourier analyser 8 pump
3 flexible hose and small-diameter metal pipe 9 mean pressure gauge
4 pulse generator 10 electric motor
5 metal pipes of the same diameter 11 component 0
6 adjustable restrictor
Figure 3 — Simplified test circuit for measuring the impedance of a single port component
6.4.1.2 Isolation of pump pressure ripple
Transmission to the pressure transducers of the pressure ripple produced by the pump should be minimized.
This can be achieved by using a flexible hose at least 1 m long, followed by a small-diameter rigid pipe,
(typically 0,5 to 0,75 times the diameter of the tube), at least 1 m long.
6.4.2 Test procedure
6.4.2.1 Calibration of the miniature pressure transducers PT1 to PT3
Before taking the measurements, calibrate the pressure transducers (see ISO 15086-2:2000, 8.5) in order to
obtain the calibration transfer functions.
10 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 15086-3:2008(E)
6.4.2.2 Adjustment and preliminary operations prior to measuring the impedance
Before carrying out the calibration operation described in 6.4.2.1, steps 6.4.2.2 a) to e) shall be performed.
a) Place the flush-mounted diaphragm pressure transducers in the measuring pipe.
b) Purge the circuit.
c) Adjust the mean test pressure, p , by means of the adjustable restrictor.
m
d) Ensure that the excitation level of the pulse generator is adequate to obtain the correct transfer functions
(acceptable coherence criterion > 0,95).
e) If the pump generates a pressure ripple level much greater than the pulse generator, it can be necessary
to reduce the pressure-ripple level at the pump outlet by means of a hose or other attenuating system.
Otherwise, the pressure-ripple level of the pump can saturate the dynamic pressure transducers PT1 to
PT3, or can prevent accurate measurement of the harmonics of the pressure ripple from the pulse
generator.
6.4.2.3 Measurement procedure
For each mean pressure required, capture the inter-transducer transfer functions by signal averaging using a
multi-channel analyser allowing the simultaneous acquisition of the output from the three pressure transducers
and their transfer function relative to one of the other transducers.
6.4.2.4 Processing of measurements taken
6.4.2.4.1 Determination of the speed of sound in the measuring pipes
Determine the speed of sound in the fluid in accordance with the procedure described in ISO 15086-2, using
the measurements from the three pressure transducers PT1 to PT3.
Use the value of the speed of sound, c, to determine the values of the terms A and B of the pipe sections
x x
between transducers PT1 and PT3 and between PT2 and PT3.
6.4.2.4.2 Determination of the impedance of the component connected to
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15086-3
Première édition
2008-12-15
Transmissions hydrauliques —
Évaluation des caractéristiques du bruit
liquidien des composants et systèmes —
Partie 3:
Mesurage de l'impédance hydraulique
Hydraulic fluid power — Determination of the fluid-borne noise
characteristics of components and systems —
Part 3: Measurement of hydraulic impedance
Numéro de référence
ISO 15086-3:2008(F)
©
ISO 2008
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ISO 15086-3:2008(F)
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ISO 15086-3:2008(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 1
4 Symboles . 3
5 Conditions d'essai et exactitude de l'instrumentation . 4
5.1 Conditions d'essai (écarts admissibles) . 4
5.2 Fidélité de l'instrumentation. 4
6 Mesurage de l'impédance d'un composant passif à un seul orifice . 5
6.1 Impédance locale — Principe de mesure.5
6.2 Impédance hydraulique. 5
6.3 Facteurs influant sur l'exactitude du mesurage d'impédance . 7
6.4 Mesurage de l'impédance locale. 9
7 Mesurage de la matrice d'admittance et de la matrice d'impédance d'un composant
hydraulique passif à deux orifices. 13
7.1 Définitions et principes de mesure de la matrice d'admittance et de la matrice
d'impédance d'un composant hydraulique passif à deux orifices. 13
8 Rapport d'essai . 22
8.1 Généralités . 22
8.2 Informations générales . 22
8.3 Résultats d'essai. 22
9 Phrase d'identification (Référence à la présente partie de l'ISO 15086) . 23
Bibliographie . 24
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ISO 15086-3:2008(F)
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 15086-3 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 131, Transmissions hydrauliques et
pneumatiques, sous-comité SC 8, Essais des produits.
L'ISO 15086 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Transmissions hydrauliques —
Évaluation des caractéristiques du bruit liquidien des composants et systèmes:
⎯ Partie 1: Introduction
⎯ Partie 2: Mesurage de la vitesse du son émis dans un fluide dans une tuyauterie
⎯ Partie 3: Mesurage de l'impédance hydraulique
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ISO 15086-3:2008(F)
Introduction
Dans les systèmes de transmissions hydrauliques, l'énergie est transmise et commandée par l'intermédiaire
d'un fluide sous pression circulant en circuit fermé. Le processus de transformation de l'énergie mécanique en
énergie hydraulique génère un bruit liquidien (fluctuations de l'écoulement et fluctuations de la pression) qui, à
son tour, engendre un bruit solidien et un bruit aérien. La transmission de ce bruit liquidien varie en fonction
de l'impédance des composants installés dans le circuit hydraulique.
La présente partie de l'ISO 15086 reprend les concepts de l'ISO 15086-1 qui décrit les principes
fondamentaux des méthodes de mesure permettant de déterminer les caractéristiques du bruit liquidien émis
ou transmis par les circuits de transmissions hydrauliques.
L'Article 6 de la présente partie de l'ISO 15086 décrit la méthode permettant de mesurer l'impédance
hydraulique d'un composant à un seul orifice (impédance hydraulique locale) alors que l'Article 7 décrit la
méthode permettant de mesurer la matrice d'impédance hydraulique d'un composant hydraulique à deux
orifices.
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NORME INTERNATIONALE ISO 15086-3:2008(F)
Transmissions hydrauliques — Évaluation des caractéristiques
du bruit liquidien des composants et systèmes —
Partie 3:
Mesurage de l'impédance hydraulique
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 15086 décrit le mode opératoire de détermination des caractéristiques
d'impédance des composants hydrauliques à partir de mesurages effectués par des capteurs de pression
montés dans la tuyauterie.
La présente partie de l'ISO 15086 est applicable aux composants passifs, quelle que soit leur taille,
fonctionnant en régime permanent sur une plage de fréquences comprise entre 10 Hz et 3 kHz.
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 1000, Unités SI et recommandations pour l'emploi de leurs multiples et de certaines autres unités
ISO 5598, Transmissions hydrauliques et pneumatiques — Vocabulaire
ISO 1219-1, Transmissions hydrauliques et pneumatiques — Symboles graphiques et schémas de circuit —
Partie 1: Symboles graphiques en emploi conventionnel et informatisé
ISO 15086-1:2001, Transmissions hydrauliques — Évaluation des caractéristiques du bruit liquidien des
composants et systèmes — Partie 1: introduction
ISO 15086-2:2000, Transmissions hydrauliques — Évaluation des caractéristiques du bruit liquidien des
composants et systèmes — Partie 2: Mesurage de la vitesse du son émis dans un fluide dans une tuyauterie
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 5598 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
onde de débit
composant fluctuant de débit dans le fluide hydraulique
3.2
onde de pression
composant fluctuant de pression dans le fluide hydraulique
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ISO 15086-3:2008(F)
3.3
générateur d'impulsions à bande large
composant hydraulique générant une onde de débit périodique et donc une onde de pression dans le circuit
ou, inversement, composant hydraulique générant une onde de pression puis une onde de débit dans un
circuit
3.4
fréquence fondamentale
fréquence la plus basse d'une onde de pression (ou d'une onde de débit) prise en compte dans une analyse
théorique ou mesurée à l'aide d'un instrument
EXEMPLE Une pompe hydraulique ou un moteur hydraulique ayant une fréquence de rotation de l'arbre de N tours
par seconde aura par hypothèse une fréquence fondamentale de N Hz. De même, une pompe ou un moteur ayant
k éléments mobiles, aura par hypothèse une fréquence fondamentale de Nk Hz dans la mesure où le comportement
mesuré ne varie pas de manière significative d'un cycle à l'autre.
3.5
harmonique
composant sinusoïdal d'un signal se produisant à un multiple entier de la fréquence fondamentale
NOTE Une harmonique peut être représentée par son amplitude et sa phase, ou bien par ses parties réelle et
imaginaire
3.6
impédance
rapport de l'onde de pression avec l'onde de débit se produisant en un point donné d'un circuit hydraulique et
à une fréquence donnée
3.7
admittance
inverse de l'impédance
3.8
impédance caractéristique
〈d'une tuyauterie〉 impédance d'une tuyauterie de longueur infinie et de section transversale constante
3.9
énergie hydro-acoustique
partie fluctuante de l'énergie dans un liquide
3.10
bruit à large bande
énergie hydro-acoustique répartie sur tout le spectre des fréquences
3.11
symétrie d'orifice à orifice
propriété d'un composant à deux orifices pour laquelle les caractéristiques de propagation des ondes
demeurent inchangées lorsque les orifices de raccordement au circuit sont inversées
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4 Symboles
Les symboles utilisés dans la présente partie de l'ISO 15086 sont définis comme indiqué dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Symboles
Symbole Description Unité
Coefficient complexe (terme de la matrice d'admittance entre le capteur PT3
3 −1 −1
A m ·s ⋅Pa
e
et le composant 0)
Coefficient complexe (terme de la matrice d'admittance entre les capteurs
3 −1 −1
A m ·s ⋅Pa
x
PTx et PT3)
3 −1 −1
A Termes de la matrice d’admittance (pour x et y égaux à 1 ou 2) m ·s ⋅Pa
xy
Coefficient complexe (terme de la matrice d'admittance entre le capteur PT3
3 −1 −1
B m ·s ⋅Pa
e
et le composant 0)
Coefficient complexe (terme de la matrice d'admittance entre les capteurs
3 −1 −1
B m⋅s ⋅Pa
x
PTx et PT3)
-1
c Vitesse du son dans le fluide m⋅s
f Fréquence minimale Hz
min
f Fréquence maximale Hz
max
H Fonction de transfert entre les ondes de pression P et P —
x3 x 3
L Distance entre deux capteurs m
p Pression d'essai moyenne MPa
m
Transformée de Fourier de l'onde de pression à l'orifice d'entrée du
P Pa
e
composant
Transformée de Fourier de l'onde de pression à l'orifice de sortie du
P Pa
s
composant
Transformée de Fourier de l'onde de pression à la position x, où x est le
P numéro du capteur de pression correspondant, respectivement PT1, PT2 et Pa
x
PT3
Transformée de Fourier de l'onde de pression respectivement à la position
P , P et P du capteur de pression 1 (PT1), du capteur de pression 2 (PT2) et du Pa
1 2 3
capteur de pression 3 (PT3)
Transformée de Fourier de l'onde de débit dans l'orifice d'entrée du
3 −1
Q ⋅s
m
e→0
composant (0)
Transformée de Fourier de l'onde de débit dans l'orifice de sortie du
3 −1
Q m⋅s
s→0
composant (0)
Numéro du capteur de pression, égal à 1, 2 ou 3 correspondant,
x —
respectivement, à PT1, à PT2 et à PT3
Z Impédance
e
−6 2 −1
ν Viscosité cinématique cSt (1 cSt = 10 ⋅m⋅s )
Phase du composant harmonique (onde de pression ou de débit selon le
θ degrés (°)
cas)
dθ Justesse de la phase de l'analyseur de Fourier degrés (°)
Les unités utilisées dans l'ISO 15086-3 sont conformes à l'ISO 1000.
Sauf indication contraire, les symboles graphiques sont conformes à l'ISO 1219-1.
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ISO 15086-3:2008(F)
5 Conditions d'essai et exactitude de l'instrumentation
5.1 Conditions d'essai (écarts admissibles)
5.1.1 Généralités
Les conditions de fonctionnement requises doivent être maintenues pendant chaque essai dans les limites
spécifiées dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Écarts admissibles dans les conditions d'essai
Paramètre d'essai Écart admissible
Débit moyen ± 2 %
Pression moyenne ± 2 %
Température
± 2 °C
5.1.2 Température du fluide
La température du fluide doit être celle mesurée à l'entrée du tube de mesure.
5.1.3 Masse volumique et viscosité du fluide
La masse volumique et la viscosité du fluide doivent être connues avec une exactitude correspondant aux
limites spécifiées dans le Tableau 3.
Tableau 3 — Exactitude requise des valeurs des propriétés du fluide
Propriété Exactitude requise
Masse volumique
± 2 %
Viscosité ± 5 %
5.1.4 Pression moyenne du fluide
La pression moyenne du fluide doit être celle mesurée à l'entrée du tube de mesure.
5.1.5 Mesurage du débit moyen
Le débit moyen doit être mesuré en aval du tube de mesure (par exemple dans les cas où le débit moyen
influence les termes de la matrice d'admittance ou d'impédance).
5.2 Fidélité de l'instrumentation
5.2.1 Classe d'exactitude en régime permanent
L'exactitude requise doit être conforme aux valeurs données dans l'ISO 15086-1:2001, Annexe A.
5.2.2 Classe d'exactitude en régime dynamique
L'exactitude requise doit être conforme aux valeurs données dans l'ISO 15086-1:2001, Annexe B.
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ISO 15086-3:2008(F)
6 Mesurage de l'impédance d'un composant passif à un seul orifice
6.1 Impédance locale — Principe de mesure
L'impédance hydraulique, Z , d'un composant à un seul orifice de raccordement est définie par l'Équation (1)
e
et représentée graphiquement à la Figure 1.
P
e
Z = (1)
e0→
Q
e0→
où
P est la transformée de Fourier de l'onde de pression à l'entrée du composant;
e
Q est la transformée de Fourier de l'onde de débit à l'entrée du composant, considérée comme
e→0
positive à l'entrée dans le composant 0.
Dans les plages de fréquences élevées (> 10 Hz), aucun système adéquat n'existe pour mesurer le débit
Q .
e→0
Pour pouvoir être appliquée à un écoulement pulsatoire, la présente méthode d'essai nécessite l'utilisation
d'un tube hydraulique rigide équipé de capteurs de pression dynamique ayant une largeur de bande suffisante
et dont l'écartement entre les capteurs sélectionnés est adapté à la plage des fréquences considérées.
Légende
1 composant 0
Figure 1 — Paramètres clés du mesurage de l'impédance d'un composant à un seul orifice
6.2 Impédance hydraulique
6.2.1 Principe de mesure
La Figure 2 illustre le principe de mesure de l'impédance, Z , à l'entrée du composant à un seul orifice (0).
e
NOTE Il est important de rappeler qu'un composant passif n'est pas en lui-même un générateur d'énergie hydro-
acoustique.
Trois capteurs de pression dynamique (PT1 à PT3) sont raccordés au tube rigide constituant le tube de
mesure de l'onde de débit instantané au niveau du capteur PT3.
Il est entendu que les mesures techniques appropriées ont été prises pour assurer que la vitesse du son dans
le fluide est uniforme entre PT1 et PT3. Cela nécessite que la température moyenne du fluide dans le tube de
mesure soit uniforme avec un écart maximal de 2 °C sur toute sa longueur.
La vitesse du son dans les tubes de mesure peut être déterminée au moyen des trois capteurs de pression,
PT1 à PT3, conformément à l'algorithme décrit dans l'ISO 15086-2.
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ISO 15086-3:2008(F)
Légende
1 générateur d'impulsions
2 composant 0
PT1, PT2, PT3 position des capteurs de pression 1, 2 et 3, respectivement
Figure 2 — Principe de mesure de l'impédance d'un composant à un seul orifice
6.2.2 Algorithme simplifié de détermination de l'impédance hydraulique locale du composant
Le débit à déterminer à l'orifice d'entrée du composant (0) est Q .
3→0
A et B sont les éléments de la matrice d'admittance décrivant le tube entre PTx et PT3 où x est égal à 1 ou 2
x x
selon le capteur choisi pour déterminer le débit.
A et B sont les éléments de la matrice d'admittance décrivant le tube entre l'entrée du composant à orifice
e e
simple (0) et PT3.
En se référant à l'ISO 15086-1 qui fournit les définitions de base, les relations algébriques obtenues sont
indiquées dans les Équations (2) à (5) ci-dessous:
QQ=− =−()AP +BP (2)
30→→3 x xx3 x
AQ
e3→0 22
QA=− + −BP (3)
e0→ ()e e 3
B
e
QAP
30→ e 3
P=− (4)
e
BB
ee
P
e
Z = (5)
e0→
Q
e0→
QA−P
30→ e 3
=
22
AB−−P AQ
()
ee 3 e3→0
−+AP B P−A P
()
xx3ex 3
=
22
A−+BP A AP+BP
()
()
ee 3 e x3 xx
En divisant le numérateur et le dénominateur de l'Équation (5) par P , l'expression algébrique indiquée dans
3
l'Équation (6) est obtenue pour le mesurage de l'impédance hydraulique Z du composant.
e→0
P
x
−−AA−B
xxe
P
3
Z = (6)
e0→
P
22
x
AB−+AA+AB
eeexxe
P
3
où x est égal à 1 ou 2 selon les plages de fréquences à mesurer.
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ISO 15086-3:2008(F)
La fonction de transfert, P /P , peut être mesurée directement par un analyseur de réponse en fréquences
x 3
approprié, mais en tenant compte de l'étalonnage du capteur de pression (voir 6.3.3).
6.3 Facteurs influant sur l'exactitude du mesurage d'impédance
6.3.1 Généralités
Les différents facteurs influant sur l'exactitude du mesurage d'impédance et les précautions à prendre en
conséquence sont décrits en 6.3.2.
6.3.2 Générateur d'impulsions
Un dispositif est requis, capable de produire une onde de pression puissante avec une fréquence et une
amplitude stable sur toute la plage de fréquences requise. Les dispositifs adaptés sont
a) une pompe à piston ou toute pompe avec une onde de pression à large bande,
b) une vanne rotative spécialement conçue pour produire des ondes de débit régulières,
c) un vibrateur et actionneur électrodynamique,
d) un servodistributeur en réponse haute fréquence,
e) un actionneur piézoélectrique.
Les dispositifs c) à e) peuvent être excités en utilisant une sinusoïdale balayée, une forme d'onde périodique
à bande large ou un signal aléatoire.
6.3.3 Fonction de transfert de la pression PTx/PT3 mesurée par les capteurs et correction
d'étalonnage
Un mesurage exact de la fonction de transfert, P /P , exige un étalonnage initial des capteurs PTx/PT3.
x 3
L'étalonnage doit être effectué en utilisant la technique décrite dans l'ISO 15086-2:2000, 8.5.
Les capteurs doivent être étalonnés dans des conditions environnementales identiques à celles concernant le
mesurage d'impédance (par exemple même pression moyenne et même température du fluide).
Les réglages de l'analyseur doivent être identiques pendant l'étalonnage et pendant les mesurages
d'impédance (par exemple mêmes plage de mesurage, forme de fenêtre, bande d'analyse, moyennage du
signal).
La fonction de cohérence obtenue lors des mesurages des fonctions de transfert au moyen de l'analyseur de
Fourier est une excellente indication de la validité des mesurages lorsque le rapport signal/bruit des capteurs
est adéquat.
Le niveau de la source d'excitation de pression doit être tel que la fonction de cohérence des fonctions de
transfert soit supérieure à 0,95. En faisant la moyenne d'un nombre suffisamment grand de spectres, il peut
être possible d'améliorer la cohérence pour les fréquences où l'excitation est faible.
Les mesurages de fonction de transfert obtenues lors de la mesure des impédances doivent être corrigés à
l'aide des fonctions de transfert d'étalonnage (voir l'ISO 15086-2:2000, 8.5).
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ISO 15086-3:2008(F)
6.3.4 Valeur numérique des termes A et B de la matrice d'admittance du tronçon de tube, utilisée
pour la détermination indirecte des écoulements pulsés
6.3.4.1 Généralités
Les termes A et B de la matrice d'admittance dépendent de cinq facteurs:
a) l'écartement des capteurs;
b) le diamètre interne du tube de mesure;
c) la vitesse du son dans le fluide contenu dans le tube de mesure;
d) la viscosité cinématique du fluide;
e) la masse volumique du fluide.
6.3.4.2 Écartement des capteurs
6.3.4.2.1 Généralités
L'écartement des capteurs doit être adapté à la plage des fréquences d'analyse choisies et ceci pour les
limites supérieure et inférieure de cette bande d'analyse. En règle générale, une seule valeur d'écartement est
insuffisante pour effectuer un mesurage sur une large plage de fréquences.
Aux fréquences élevées, la limite est due au fait que l'analyse devient indéterminée lorsque la distance entre
les capteurs est égale à la moitié de la longueur d'onde des ondes de pression.
Aux très basses fréquences, la limitation est due au fait que le rapport d'amplitude s'approche de l'unité et le
déphasage entre les capteurs s'approche du zéro. L'analyse devient imprécise lorsque le déphasage entre les
capteurs est inférieur à 10 fois l'exactitude de la capacité de mesure des phases de l'analyseur.
Les écartements entre les capteurs devraient être mesurés avec une exactitude de ± 1 mm.
6.3.4.2.2 Règles pratiques pour l'établissement de l'écartement des capteurs
Premièrement, en utilisant l'Équation (7), déterminer la distance, L, pour une limite supérieure de fréquence,
f où L est la distance entre les capteurs choisis pour mesurer l'impédance entre PT1 et PT3 ou PT2 et PT3.
max
0,95⋅ c
L u (7)
2⋅ f
max
−1
EXEMPLE 1 Si l'on remplace f par 1 600 Hz et c par 1 300 ms dans l'Équation (7), on obtient:
max
−1
0,95⋅⋅1300 m s
Lu
2(⋅ 1600Hz)
Lu 0,386 m
La distance L étant définie, il est alors possible d'estimer la limite inférieure du mesurage de fréquence, f ,
min
en utilisant l'Équation (8):
d·θ 10
ff= (8)
min max
180
EXEMPLE 2 Si le dθ de l'analyseur est 0,5°, alors en utilisant l'Équation (8) on obtient:
1600⋅⋅(0,5) 10
f=≈ 44 Hz
min
180
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ISO 15086-3:2008(F)
Un écartement de 0,386 m permet donc de mesurer correctement la fonction de transfert sur une plage de
fréquences comprise entre f = 44 Hz et f = 1 600 Hz.
min max
La distance entre le capteur PT3 et l'orifice d'entrée du composant (0) doit être comprise entre 0,1L et 0,2L.
6.3.4.3 Vitesse du son dans le fluide du tube de mesure
La vitesse du son est utilisée pour déterminer les termes de la matrice d'admittance qui décrivent les tubes de
mesure.
Ce paramètre dépend de la température et de la pression moyenne du fluide s'écoulant dans les tubes de
mesure; ces paramètres doivent donc être réglés en fonction des conditions d'essai souhaitées et maintenus
dans les limites spécifiées dans le Tableau 2 durant les mesurages.
6.3.4.4 Masse volumique du fluide circulant dans les tubes de mesure
La densité est utilisée dans la détermination des termes de la matrice d'admittance décrivant les tubes de
mesures.
Ce paramètre dépend de la température et de la pression moyenne du fluide s'écoulant dans les tubes de
mesure; ces paramètres doivent donc être réglés en fonction des conditions d'essai souhaitées et maintenus
dans les limites spécifiées dans le Tableau 2 durant les mesurages.
6.4 Mesurage de l'impédance locale
6.4.1 Circuit d'essai
6.4.1.1 Circuit d'essai simplifié
Un circuit d'essai simplifié adapté pour les mesurages de l'impédance hydraulique d'un composant à un seul
orifice est représenté à la Figure 3.
Le circuit d'essai comprend les éléments suivants:
a) une pompe hydraulique pour s'assurer que le débit moyen et la pression moyenne du composant à
soumettre à essai sont fournis. La pompe doit être protégée au moyen d'une soupape de sécurité;
b) un flexible de raccordement à connecter à la sortie de pompe du circuit d'essai. Si la pompe génère un
niveau d'onde de pression beaucoup plus grand que celui du générateur de pulsations, il peut être
nécessaire de réduire le niveau d'onde de pression à la sortie de la pompe au moyen de ce flexible ou
d'un autre système d'atténuation. Autrement, le niveau d'onde de pression de la pompe peut saturer les
capteurs de pression dynamiques PT1 à PT3 ou peut empêcher l'exactitude de mesure des harmoniques
de l'onde de pression venant du générateur de pulsations (voir 6.4.1.2);
c) un tuyau rigide dans lequel les capteurs de pression sont montés comme présenté à la Figure 3, la
distance entre les capteurs étant adaptée à la bande de fréquence utilisée;
d) trois capteurs de pression (PT1 à PT3) disposés sur les tubes amont et aval du composant (de
préférence des capteurs piézoélectriques de type membrane miniature affleurante) utilisés pour
déterminer l'onde de pression et le débit pulsatoire dans les tubes et la vitesse du son dans le fluide
d'essai;
e) un générateur de pulsations capable de générer des pulsations dans la bande de fréquence sélectionnée
avec un niveau adéquat afin d'obtenir le rapport signal/bruit correct (voir 6.3.2);
f) un réducteur ajustable afin de permettre l'ajustement de la pression moyenne, p , à la sortie du circuit
m
contrôlé par le manomètre;
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g) un refroidisseur (échangeur de chaleur) pour permettre la régulation du fluide d'essai contrôlé par le
thermomètre;
h) un débitmètre moyen facultatif à utiliser dans le cas où le débit moyen dans le composant soumis à
l'essai influence ses caractéristiques hydro-acoustiques;
i) le composant soumis à essai;
j) un capteur ou un manomètre de précision pour contrôler la pression moyenne pendant l'essai.
Légende
1 capteurs de pression 7 limiteur de pression
2 analyseur de Fourier 8 pompe
3 tuyau flexible et un tube métallique de petit diamètre 9 manomètre moyenne pression
4 générateur d'impulsions 10 moteur électrique
5 tubes rigides de même diamètre 11 composant 0
6 étranglement réglable
Figure 3 — Circuit d'essai simplifié de mesurage de l'impédance d'un composant à un seul orifice
6.4.1.2 Isolation de l'onde de pression de la pompe
Il convient de minimiser la transmission aux capteurs de pression de l'onde de pression produite par la pompe.
Cela peut être accompli en utilisant un tuyau flexible d'au moins 1 m de long, terminé par un tube rigide de
petit diamètre (typiquement de 0,5 à 0,75 fois le diamètre du tube) d'au moins 1 m de long.
6.4.2 Mode opératoire d'essai
6.
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