3.5 Conclusions
4.1.3 Description des conditions d'enregistrement employées
Pour terminer cette introduction à l'émission acoustique nous allons présenter les conditions opératoires communes à toutes les expériences que nous avons réalisées.
Pour obtenir une mesure acoustique de référence, nous avons employé un hydrophone immergé dans le liquide contenant les bulles. Ce genre de dispositif présente les avantages suivants :
· Il n'existe qu'un seul mode de propagation des ondes acoustiques au sein des fluides · L'absence d'interfaces entre le capteur et la source évite l'atténuation du signal sous l'effet
de la réflexion aux interfaces d’une partie de l’énergie acoustique transportée par l’onde (cf. annexe 1).
· Lorsque le bassin dans lequel se déroule la mesure est suffisamment grand, on peut admettre que la mesure acoustique est réalisée en champ libre.
· Les hydrophones sont facilement étalonnés et lorsque la distance à la source est connue ils permettent de quantifier l'énergie émise par la source de l'émission.
La mesure de la pression acoustique peut aussi être réalisée au moyen de capteurs de surface. Nous chercherons durant ce travail à comparer les enregistrements obtenus au moyen d’un hydrophone immergé à ceux réalisés au moyen d'un capteur externe. D'après l'équation (4.1), les salves d’émission acoustique des bulles produites dans les électrolyseurs sont émises à des fréquences inférieures à 150 kHz et les populations décrites en 2.6. Nous avons par conséquent sélectionné pour nos expériences les capteurs suivants :
· un capteur de surface EPA R45i avec préamplificateur intégré. Ce capteur présente une bonne sensibilité quel que soit le mode de propagation en dessous de 200 kHz.
· un hydrophone Bruel et Kjaer 8100 muni d'un préamplificateur de même marque. Ce capteur présente une sensibilité constante d'environ -210 dB (ref 1V µPa-1) entre 0 et 150 kHz.
Les capteurs sont représentés sur les images de la figure {4.3}. Ils ont été isolés électriquement de la cellule ou de l'électrolyte en recouvrant le boitier du capteur R45i d'un film de néoprène et les parties métalliques de l'hydrophone par du ruban de PTFE. La masse électrique du blindage de la ligne de transmission des hydrophones est une masse flottante maintenue par le préamplificateur. Le préamplificateur Bruel et Kjaer a été raccordé à la carte d'acquisition EPA par un filtre passe haut supprimant la tension continue générée par la carte pour l'alimentation des préamplificateurs EPA. Pour l’ensemble de nos mesures, le gain de préamplification est de + 40 dB.
Du fait de la limitation des fréquences émises par les bulles aux fréquences inférieures à 150 kHz, la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique numérique a été fixée à 2 MHz. Pour éviter tout effet de repliement de spectre, avant la numérisation, le signal a été traité par un filtre passe bas dont la fréquence de coupure est de 200 kHz.
Trois types de dispositif mis en œuvre pour mesurer le son émis par une cellule d’électrolyse sont présentés sur la figure {4.3}.
Le dispositif de la figure {4.3-A et A’} consiste en un capteur externe pris dans un étau. Sa face active est plaquée sur l'extrémité polie d'une tige filetée en acier de 8 cm de long et 8 mm de diamètre. Cette tige est vissée dans l'électrode. Pour éviter toute rupture d’impédance un liquide visqueux est introduit en fond de filet et entre la tête de vis et le capteur. Ce mode de fixation filtre les signaux qui se propagent sous forme d’ondes longitudinales, les ondes de surface étant fortement atténuées par le filetage.
La figure {4.3-B et B’} représente un autre mode d'installation du capteur externe, cette fois-ci fixé sur la paroi de la cellule (de préférence sur la face d’une électrode sur laquelle est produit le dégagement gazeux). Les modes de propagation favorisés par ce type de dispositif sont les ondes de surface.
Figure 4.3: Dispositifs employés pour coupler le capteur acoustique aux cellules d'électrolyse (A-C) principe (A'-C') exemples de réalisations
L'hydrophone immergé dans la cellule capte l’émission acoustique provenant de toute la cellule et notamment des deux électrodes. Pour isoler l'émission acoustique d'une des électrodes, nous avons cherché à employer des cellules d’électrolyse dans lesquelles le gaz n’est produit qu’à partir de cette seule électrode. Nous avons rapidement abandonné cette option pour des raisons pratiques.
Comme nous le verrons en 4.2 et 4.3, il est possible de limiter l’émission acoustique d’une électrode produisant un gaz en limitant la densité de courant à cette électrode. Lorsque nous avons cherché à ne caractériser que l’émission acoustique d’une seule électrode, nous avons fixé un capteur externe à cette électrode par les dispositifs {4.3-A} et {4.3-B}, ou nous avons
utilisé une seconde électrode de plus grande surface, préférentiellement poreuse en contact avec l’atmosphère.
Une cellule d'électrolyse est généralement constituée de plusieurs matériaux d’impédances acoustiques différentes (cf. annexe). De ce fait, une cellule ne constitue pas un milieu anéchoïque, et la formation d'ondes stationnaires dans les cellules d’électrolyse est envisageable.
Les dispositifs employés présentés sur la figure {4.3} ont pour but de favoriser un mode de propagation particulier afin de limiter la superposition de plusieurs signaux d'origine différente durant la mesure. On considérera que, dans les premiers instants après la détection d'une salve d'émission acoustique, celle-ci ne contient que le signal émis par la source propagé vers le capteur par le trajet le plus direct. Cette durée pour laquelle le signal capté contient l'information fréquentielle du signal émis par la source est donnée par (4.8).
c L
t c
inf = (4.8)
Lc longueur caractéristique, parcours supplémentaire du premier écho retardé, c célérité de l'onde acoustique par le mode favorisé, tinf durée de la salve d'émission acoustique contenant l'information fréquentielle émise par la source
Dans les cellules d'électrolyse cette durée caractéristique est de quelques microsecondes. Le paramètre "peak frequency" calculé par la carte EPA et le logiciel Noesis à partir de chaque salve d'émission acoustique est la fréquence pour laquelle la densité spectrale de puissance de la salve présente la plus forte amplitude. Les salves caractéristiques des bulles sont des signaux transitoires d’amplitude exponentiellement décroissante comme le montre la figure {4.4}. Pour ce type de signaux, on observe que la fréquence "peak frequency" est proche de la fréquence du signal mesurée pendant les premiers instants suivant le dépassement du seuil de détection (4.8). Le paramètre "peak frequency" sera désormais noté fp et appelé fréquence au pic. Nous montrerons que ce paramètre contient effectivement l’information fréquentielle caractéristique de la source du signal.
La figure {4.4} montre le tracé temporel caractéristique du signal observé lors d'une salve d'émission acoustique émise par une bulle submillimétrique captée au moyen d'un hydrophone. La fenêtre d'acquisition adaptée à ce type de salves a été définie par l'étude de ce genre d'enregistrement : La durée du pic (PDT) est fixée à 100 µs, la durée minimum d'une
dépassement de seuil (HLT) a été aussi fixé à 600 µs. La durée maximum d'enregistrement d'une salve a été fixée à 1 ms. L'enregistrement des salves débute 100 µs avant le premier dépassement de seuil.
Avant électrolyse, un blanc est effectué. Le bruit est mesuré. Celui-ci correspond à la somme du niveau sonore ambiant, du bruit thermique et du bruit électromagnétique. Le seuil de détection en amplitude est fixé à ± 3 dB au dessus du niveau maximum du bruit. Les fréquences au pic obtenues lors du prétraitement par la carte d'acquisition sont affinées par un post-traitement avec le logiciel Mistras-Noesis.
Figure 4.4: Exemple de salve d'émission acoustique émise par une bulle d'hydrogène captée par un hydrophone B&K gain +40 dB
La diffusion anisotrope des signaux acoustique par les nuages de bulles [Mana04] et la variation des vitesses de propagation induite par les panaches de bulles (4.6) perturbent la localisation de l'origine des signaux. Plusieurs tentatives de localisation de l'emplacement des sources par la méthode de triangulation (mettant en œuvre plusieurs capteurs) telle que décrite dans [Roge90] ont été évaluées dans les électrolyseurs que nous avons mis en œuvre. La faible précision des résultats amoindrit l'intérêt porté à cette méthode qui aurait pu permettre de cartographier l’activité acoustique de l’électrode.