CHAPITRE 3 : MESURES VIBRATOIRES

Le classement mécanique du bois à partir d’une analyse vibratoire basée sur la première fréquence de résonance est une technique couramment employée dans les résineux. En industrie, la méthode par vibrations longitudinales est privilégiée pour sa facilité d’implantation et sa cadence relativement élevée. Cependant, l’efficacité de cette technique n’a pas encore été démontrée dans le cas des feuillus et plus particulièrement pour le chêne de qualité secondaire. Dans ce chapitre, les vibrations longitudinales et transversales sont exploitées pour prédire le MOE statique et le MOR obtenus en flexion quatre points.

Dans un premier temps, le principe général des mesures vibratoires est détaillé. Ensuite, les résultats issus d’un modèle utilisant la première fréquence de résonance sont montrés et commentés. Puis, une analyse approfondie du signal fréquentiel est établie en l’associant à des méthodes statistiques. À la fin de ce chapitre une comparaison entre les différents modèles est effectuée pour identifier le meilleur traitement à opérer à la suite d’un essai vibratoire. À noter qu’une partie de ce travail a fait l’objet d’un article soumis dans une revue scientifique internationale à comité de lecture. A noter qu’une partie de ce travail a fait l’objet d’un article dans une revue scientifique internationale (Faydi et al. 2017a) et a été présentée dans le cadre d’une conférence internationale (Faydi et al. 2017b).

Les mesures vibratoires ont été réalisées avec la machine BING « Beam Identification by Non-Destructive testing » développée par le CIRAD (Brancheriau et al. 2007). C’est un dispositif de contrôle non destructif de la qualité mécanique des bois. Il existe une relation étroite entre les propriétés mécaniques et le comportement vibratoire d’une structure. Le module élastique est, par exemple, égal à la masse volumique multipliée par le carré de la vitesse de propagation d’une onde de compression dans un matériau isotrope.

Suite à une excitation impulsionnelle, générant des vibrations longitudinales ou transversales, l’ensemble des modes propres de vibration sont sollicités simultanément. L’analyse spectrale permet de déterminer les fréquences propres d’un sciage. La première fréquence propre, appelée aussi fréquence fondamentale, correspond au premier mode propre. Les fréquences associées aux autres modes propres sont supérieures à la fréquence relative au premier mode. Elles sont appelées harmoniques. La fréquence fondamentale et les harmoniques conduisent à la détermination des propriétés mécaniques du sciage. Pour ce faire, il faut appliquer le modèle développé par Bernoulli (1748) ou bien celui développé par Timoshenko (1921). Ils ont établi des équations entre les fréquences propres et les propriétés mécaniques en partant de l’hypothèse que le matériau étudié est homogène et isotrope c’est-à- dire qu’il n’y a pas de variation des propriétés et une géométrie bien définie du matériau. La différence entre les deux modèles est que Bernoulli ne tient pas compte de la déformée en cisaillement entre les sections droites qui restent perpendiculaires à la ligne neutre ni de l’inertie de rotation des sections droites alors que le modèle de Timoshenko est plus complet.

Il est possible d’exercer deux types de sollicitations. Lorsqu’on applique un impact dans le sens de l’axe longitudinal du sciage, des vibrations longitudinales ont lieu et correspondent

CHAPITRE 3 : MESURES VIBRATOIRES 61 à une sollicitation en compression (figure 3.1 (a)). Le module élastique est calculé à partir de la première fréquence de résonance en appliquant l’équation 3.1.

MOEC_{= 4ρL²f} mode 1 2

(3.1)

Avec MOEC _{: MOE en compression (vibrations longitudinales) ; ρ : masse volumique ;}

L : longueur ; fmode 1 : fréquence relative au premier mode issu des vibrations longitudinales.

Le deuxième type de sollicitation est la flexion libre. Le sciage est percuté dans le sens transversal perpendiculairement à son axe longitudinal. La percussion peut être réalisée respectivement sur la rive (b) ou la face (c) du sciage engendrant ainsi un essai de flexion sur chant ou à plat (figure 3.1).

MOEBi=

4π²ρSL4f2_{mode i}

IXi (3.2)

Avec MOE_Bi le MOE en flexion (vibrations transversales) en suivant le modèle de Bernoulli ; ρ : masse volumique, S : section droite ; L : Longueur ; fmode i : fréquence relative

au ième mode issu des vibrations transversales ; I : moment quadratique pour une section rectangulaire : I = bh3

12 avec b : largeur et h : épaisseur de la planche, Xi : scalaire relatif au

mode étudié. avec: Xi = ((2n + 1) π 2)

4 _{avec i le numéro du mode étudié.}

En entrée du système de mesure, les dimensions et la masse volumique de l’échantillon doivent être renseignées. Le sciage est mis sur deux supports élastiques permettant, au mieux, une propagation libre des vibrations. Les supports sont placés sur les nœuds théoriques du premier mode issus de vibrations transversales. La percussion est opérée par un marteau à tête sphérique et le signal est récupéré et enregistré par l’intermédiaire d’un microphone unidirectionnel. Il est, ensuite, transféré à une carte d’acquisition qui convertit le signal analogique en signal numérique avec une fréquence d’échantillonnage de 39 KHz, un temps d’acquisition de 1 678 ms et une résolution égale à 12 bits. Ce dernier est traité à travers une transformée de Fourier qui permet de traduire les signaux temporels en un spectre fréquentiel.

62 CHAPITRE 3 : MESURES VIBRATOIRES

Les modèles développés dans ce chapitre pour prédire le MOE statique et le MOR se basent sur des régressions linéaires entre les variables prédictives et les variables cibles. Ils sont validés par la technique de validation croisée.

Pour les modèles paramétrés, il y a une première étape de calibration, c’est-à-dire que les coefficients de régression sont estimés, puis, ensuite, il est impératif de vérifier qu’un modèle fonctionne toujours sur d’autres observations. La méthode classique serait de valider le modèle sur un lot indépendant. Cependant pour avoir un maximum de planches lors de la calibration, nous avons opté pour une technique dite de validation croisée. Elle s’appuie uniquement sur le seul échantillon de calibration. Cet échantillon est divisé en 10 segments aléatoires. Pour chaque itération, un segment est supprimé et la calibration est lancée sur le reste des segments. Ensuite, la validation du modèle est faite sur les observations supprimées. Le même processus est refait pour tous les segments. L’efficacité du modèle est représentée par l’erreur de validation croisée RMSECV (Root Mean Square Error Cross Validation).

RMSECV = √ ∑ ∑ (yîi,j−yi,j)² Nj N j=1 10 (3.3)

Où 𝑦̂_𝑖,𝑗 : ième valeur estimée de 𝑦_𝑖,𝑗 au jème segment de la validation croisée ; 𝑁_𝑗 : nombre d’échantillons utilisés pour la validation lors de l’étude du jème _segment.

Il convient de vérifier qu’il n’y ait pas d’échantillons similaires qui rendraient le résultat très optimiste. Dans ce cas, il faudrait opter pour une validation croisée groupée en rassemblant les éléments présentant un même comportement. La validation croisée est aussi intéressante pour réduire le temps de calcul.

A la fin du processus, l’erreur de prédiction « Root Mean Square Error of Calibration » est calculée sur l’ensemble des échantillons. Elle est définie dans l’équation 3.4.

RMSEC = √∑ (ŷi−yi)²

n−k−1 n

i=1 (3.4)

Où k est le nombre de variables explicatives et n est le nombre total des échantillons.

A noter que le RMSECV est moins optimiste que le RMSEC. Ce dernier mesure uniquement l’erreur entre les valeurs statiques et les valeurs prédite à la fin du processus. Si le RMSEC est proche du RMSECV (Ratio RMSEC/RMSECV ~=1), le modèle est qualifié de stable.

CHAPITRE 3 : MESURES VIBRATOIRES 63 Le modèle basé sur la première fréquence de résonance issue d’un essai vibratoire longitudinal est calculé en utilisant l’équation 3.1. C’est le modèle le plus généralement employé pour prédire le MOE statique On prédit ensuite le MOR à partir d’une régression linéaire avec le MOE prédit. Pour la sélection des pics de fréquences propres, le logiciel du BING permet deux types de sélections. Soit une sélection manuelle ou bien automatique.

A noter qu’il n’est pas utile de calculer le RMSECV entre les MOE vibratoires et les MOE statiques car la relation qui les lie dépend de la première fréquence de résonance qui dépend elle-même de la nature du sciage testé. Autrement dit, le RMSECV est calculé lorsqu’il faut valider la calibration de paramètres (exemple : coefficients de régression d’une droite). Cependant, la formule du RMSECV va être indiquée, dans ce cas, pour permettre les comparaisons avec les modèles développés.