Brevet FR2034389A1 — publié le 19701211

La presente invention concerne les- appareils de mesure de itimpédance mécanique du sol, grandeur caractéristique de la compacité du sol. Pour ce faire, on a déjà proposé de mesurer l'amplitude des oscillations d'un système mécanique résonant successivement avec et sans atténuation par contact avec le sol. Un appareil permettant d'effectuer cette mesure a été décrit dans le brevet français BO 1.072.681; dans cet appareil, l'amplitude des oscillations mécaniques d'une masse vibrante est convertie en tension électrique par un capteur électromécanique approprié; cette tension est ensuite mesurée et donne une indication de l'impédance mecani- que du sol.Le mode de mesure utilisé dans cet appareil présente toutefois l'inconvénient d'une faible sensibilité, permettant seulement de distinguer les sols très compacts des sols très meubles, sans donner d'indications précises pour les sols de compacité intermédiaire. Une méthode de mesure meilleure consiste à utiliser un vibrateur électromécanique semblable au moteur -d'un haut-parleur, à mesurer l'impédance électrique de la bobine mobile de cé moteur, d'une part sans amortissement, d'autre part avec amortissement par le sol, et enfin de déduire l'impédance nécallique du sol de la variation de l'impédance électrique de la bobine mobile Sur les dessins annexés, la figure 1 représente une w e en coupe schématique d'un mode de réalisation de la partie mécani- que d'un appareil de mesure de l'impédance du sol de ce dernier type. il comprend un aimant permanent 1, analogue au moteur d'un haut-parleur et comportant un entrefer annulaire 7j-une bob ne mobile 2, disposée dans cet entrefer 7, un socle circulaire 3, posé sur le sol, des ressorts 4 qui compensent le poids de l'aimant 1 et dont la dureté est ajustée de façon que la fréquence de résonance de la masse qu'ilssoutiennent soit très basse par rapport à la fréquence de travail du vibrateur électromécanique, et deux conducteurs 5 et 6 reliant la bobine aux circuits électroniques de l'appareil. La bobine mobile 2 étant alimentée en courant alternatif, appareil représenté sur la figure 1 fonctionne à la manière d'un haut-parleur qui diffuserait dans le sol des vibrations acoustiques. Les études relatives au fonctionnement des haut-parleurs et dispositifs similaires ont montré que la puissance acoustique rayonnée et dissipée en chaleur peut se traduire par une impédance mécanique Zm, qui est une grandeur complexe; pour une bobine mobile comportant une longueur totale de fil, , soumis à une induction magnétique B, la présence de cette impédance mécanique entraSne un accroissement e de l'impédance électrique de la bobine suivant l'équation (1) : Ze = Zm.B2.12 (1) La mesure de l'impédance électrique de la bobine mobile fournit donc des indications sur le milieu dans lequel la puissance acoustique est transmise. Dans le cas dune mesure de l'impédance mécanique du sol, cette impédance mécanique Zm comprend une partie réelle provenant de la résistance de rayonnement de l'onde acoustique dans le sol et des frottements internes dans le sol. L'objet de la mesure est essentiellement de connaître ces frottements internes; on cherche par conséquent à élever leur contribution à l'impédance mécanique Zm par rapport à la contribution de la résistance de rayonnement, et, à cet effet, il y a intérêt à effectuer la mesure d'impédance à des fréquences basses et sous des amplitudes faibles.Toutefois, dans ces conditions, l'impédance mécanique Ze qui correspond à l'impédance mécanique Zm devient très petite devant l'impédance propre de la bobine mobile, de telle-sorte que la mesure devient très difficile à exécuter avec une sensibilité et une précision acceptables. La présente invention se propose de perfectionner la méthode de mesure de l'impédance mécanique du sol par mesure de l'impédance électrique d'une bobine de vibrateur électromécanique, avec une amélioration notable de la sensibilité et la précision de la mesure. Considérant la formule (j) ci-dessus,- on constate qu'une modulation sinusoïdale de l'induction B à la fréquence f1 a pour effet de moduler l'impédance électrique Ze qui correspond à l'impédance mécanique ZmS suivant la formule (2) où K est un coefficient et t désigne le temps ne = nm12.32.(l + k.cos 21r flt)2 (2) cette formule (2) étant équivalente à la formule (3) : Z = Z .B2.12.(1 + 2k.cos 2#f@t + k2.cos 4# f@t + k2 2 L'impédance de la bobine mobile du vibrateur électro mécanique contient donc, lorsque l'induction magnétique est modulée à la fréquen-ce f1, et outre des termes non modulés correspondant à l'impédance de la bobine non amortie par le sol, des te-rmes modulés aux fréquences f1 et 2f1 correspondant à l'impédance mécanique du sol. En insérant la bobine mobile dans un pont de mesure dtimpé- dances alimenté et équilibré au mieux pour une fréquence de mesure fO, on obtiendra un signal de déséquilibre résultant (a) du déséquilibre résiduel du pont et (b) de la variation de l'impédance aux fréquences f1 et 2f1.Le pont étant alimenté à la fréquence fo, ce signal de déséquilibre sera donc un signal de fréquence f0 modulé aux fréquences f1 et 2f1. En fait, Ze et l'impédance de la bobine mobile sont des impédances complexes, et par conséquent le signal de déséquilibre comprend une composante en phase et une composante en quadrature de phase avec le signal alimentant le pont à la fréquence fo. En détectant dans ces -composantes les modulations à l'une des fréquences f1 ou 2f1 on obtient des signaux relatifs uniquement aux parties réelle et imaginaire de Z . Il est préféra e ble de détecter la modulation à la fréquence 2f1 pour éviter toute interférence avec le signal issu du générateur de modulation à la fréquence f1. L'effet de l'impédance propre de la bobine mobile à la fréquence f0 et l'effet du manque de précision de l'équilibrage du pont étant élimines par cette méthode- de mesure de Z ZeF cette nouvelle méthode constitue un progrès notable sur les méthodes de mesure de l'impédance du sol actuellement connues. La présente invention concerne les appareils nouveaux mettant en oeuvre la nouvelle méthode améliorée ci-dessus exposée. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de mesure de l'impédance mécanique du sol, comprenant un vibrateur électromécanique comportant un dispositif générant un flux d'induction magnétique modulé à la fréquence f et une bobine mobile disposée dans ce flux d'induction magnétique et pouvant être mise en contact avec le sol, un pont d'impédances alimenté en tension alternative Vo de fréquence f0 et dans l'une des branches duquel est insérée la bobine mobile, un dispositif électronique analysant la tension de déséquilibre du pont et séparant cette tension en deux composantes V' et V" respectivement en phase et en quadrature de phase avec la tension V0, deux dispositifs électroniques analysant chacune l'une des tensions V' et V" et isolant dans ces tensions leurs composantes de modulation à la fréquence 2f1 et deux dispositifs fournissant les valeurs desdites composantes de modulation, le couple de valeurs étant représentatif de la valeur de l'impédance. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif générant un flux d'induction magnétique modulé comprend un circuit 'iagnétique en lorgne de cloche comportant un noyau central, et une bobine de modulation fixe disposée dans l'entrefer autour du noyau central et alimentée en courant de modulation à la fréquence f1. La bobine mobile du vibrateur électromécanique est également disposée dans l'entrefer autour du noyau central, coaxialement à la bobine de modulation0 Le circuit magnétique peut être en matériau ferromagnétique aimanté, et dans ce cas, l'induction subie par la bobine mobile est la somme de l'induction constante-due à l'aimantation permanente du circuit magnétique et de l'induction modulée due au courant de modulation circulant dans la bobine fixe et agissant sur le circuit magnétique0 Le circuit magnétique peut également être en matériau doux non rémanent, et dans ce cas l'induction subie par la bobine mobile est due seulement au courant de modulation circulant dans la bobine fixe et agissant sur le circuit magnétique, ce courant de modulation devant alors être un courant continu modulé dont la composante continue génère dans l'entrefer l'induction continue nécessaire au fonctionnement du vibrateur électromécanique. Belon un second mode de réalisation, le dispositif générant un flux a'induction magnétique modulé comprend un circuit magnétique en matériau ferromagnétique aimanté comportant une pièce creuse et un noyau, coaxiaux l'un à l'autre et séparés par un entrefer, les extrémités homologues de la pièce creuse et du noyau étant coplanaires et venant s'appliquer sur un disque tournant extérieurement à l'axe de rotation de celui-ci, le disque comportant au moins une paire de secteurs dont l'un est en matériau ferromagnétique et l'autre est en matériau non magnétique.La bobine mobile est située dans l'entrefer du circuit magnétique, et l'induction subie par cette bobine mobile varie lorsque le disque tourne par suite de la variation de réluctance du circuit magné- tique ainsi constitué La description qui va suivre et les dessins annexés, donnés surtout à titre d'exemples non limitatifs, feront mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée.Sur les dessins annexés, la fifre 1 ayant déjà été définie, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'un vibrateur électromécanique; - la figure 3 représente une vue schématiaue en coupe d'un second mode de réalisation d'un vibrateur électromécanique - la figure 4 représente une vue de dessus du disque utilisé dans le mode de réalisation de la figure 3, et - la figure 5 représente Irn diagramme - fonctionnel de la partie électronique d'un appareil de mesure de l'impédance du sol selon l'invention. Sur la figure 2, on voit que dans son premier mode de réalisation, le vibrateur électromécanique comprend Uil circuit magnétique composé d'une partie 1 en forme de cloche et d'un noyau central 8, entre lesquels se trouve un entrefer 7. Une bobine de modulation fixe 9 est disposée dans cet entrefer, ainsi qu'une bobine mobile 2 semblable à celle d'un haut-parleur. a bobine mobile 2 entre un socle susceptible de venir en contact avec le sol, comme dans le dispositif de la figure I. La disposition des pièces représentées sur la figure 2 convient pour un circuit magnétique en matériau ferromagnétique ou en matériau doux non rémanent, puisqu'entre l'un et l';i%-re cas, seul le mode d'alimentation électrique de la bobine de modulation est sensiblement différent. La figure 3 représente un second mode de réalisation d'un vibrateur électromécanique. il comprend un circuit magnétique en matériau ferromagnétique composé d'une partie 1 en forme de cylindre creux et d'un noyau central 8, entre lesquels se trouve un entrefer 7.Les pôles magnétiques de ces pièces sont figurés par les lettres N et S. tans l'entrefer 7 est disposée une bobine mobile 2, les extrémités du cylindre 1 et du noyau 8 sont planes et s'appliquent sur un disque 10 tournant autour d'un axe 11 Sur la figure 4 on voit que ce disque 10 est composé d'une paire de secteurs semi-circulaires 12 et 13, le secteur 12 étant en matériau ferromagnétique et le secteur 13 en matériau non magnétique0 Dans tous ces dispositifs, le-matériau ferromagnétique peut être un acier couramment utilisé pour la fabrication des aimants permanents, le matériau doux non rémanent peut être un acier doux couramment utilisé pour la fabrication des électroaimants, et le matériau non magnétique peut être du laiton ou un alliage d'aluminium; il doit cependant être bien entendu que toute matière présentant les propriétés requises respectivement pour chacun de ces matériaux est susceptible de convenir pour la réalisation du dispositif selon l'invention. Le diagramme fonctionnel de la figure 5 correspond au mode de réalisation du vibreur électromagnétique tel que représenté sur la figure 2. Les mimes références désignent la bobine mobile 2 et la bobine de modulation 9 dans ces deux figures La bobine mobile 2 est insérée dans l'un des bras d'un pont 14 alimenté en tension alternative à la fréquence f0 par un générateur 150 La bobine de modulation est alimentée en courant alternatif à la fréquence f1 par un générateur 16.Le signal issu du pont est- analysé dans un ensemble comprenant deux détecteurs 17 et 18 ainsi qu'un déphaseur 19 qui fournit un signal due référence déphasé de 900 par rapport à la tension alternative de fréquence fo du générateur 150 Les deux composantes issues des détecteurs 17 et 18 sont analysées en vue d'isoler leurs composantes de modulation à la fréquence 2f1 dans un ensemble comprenant deux détecteurs 20 et 21 ainsi qu'un doubleur de fréquence 22 fournissant une référence de fréquence 2f1 à partir de la fréquence f1 du générateur 16. La valeur des deux composantes de modulation détectées dans les détecteurs 20 et 21 est finalement indiquée sur les appareils de mesure 23 et 24. On obtient ainsi une indication directe des composantes réelle et imaginaire de l'impédance du sol. Une étude de la valeur complexe de cette impédance en fonction de la fréquence de mesure fO nernet de distinguer la contribution de la résistance de rayonnement de l'onde acoustique dans le sol et la contribution des frottements internes de diverses natures dans le sol. Une parte essentelîe de ces renseignements est obtenue en extrapolant la fréquence de mesure f0 vers les fréquences basses, ce qui expli cue la nécessité de résoudre les problèmes de mesure posés à ces basses fréquences et rend particulièrement avantageux le mode de mesure ris en oeuvre dans le dispositif selon l'invention. REVENDICATIONS 1 - Un dispositif de mesure de l'impédance mécanique du sol comprenant un vibrateur électromécanique comportant un disuosi- tif générant un flux d'induction magnétique modulé à la fréquence f1 et une bobine mobile disposée dans ce flux d'induction magnétique et pouvant être rise en contact mécanique avec le sol, un pont d'impédances alimenté en tension alternative Vo de fréquence f0 et dans l'une des branches duquel est insérée la bobine mobile, un dispositif électronioue analysant la tension de déséquilibre au pont et séparant cette tension en ses composantes V' et V", respective- ment en phase et en quadrature de phase avec la tension VO, deux dispositifs électroniques analysant chacun l'une des tensions V' et V" et isolant dans ces tensions leurs composantes de modulation à la fréquence 2fl, et deux dispositifs fournissant les valeurs desdites composantes de modulation oui sont représentatives de l'impédance du sol. 2 - Un dispositif de mesure selon 1, dans lequel le dispositif générant un flux d'induction magnétique modulé comprend un circuit magnétique en forme de cloche comportant un noyau central, et une bobine de modulation fixe disposée dans l'entrefer autour du noyau central et alimentée en courant de modulation à la fréquence f1, la bobine mobile du vibrateur électromécanique étant également disposée dans entrefer autour du noyau central, coaxialement à la bobine de modulation. 3 - Un dispositif de mesure selon 1, dans lequel le dispositif générant un flux d'induction magnétique modulé comprend un circuit magnétique en matériau ferromagnétique aimanté comportant une pièce creuse et un noyau, coaxiaux l'un à l'autre et séparés par un entrefer, les extrémités homologues de la pièce creuse et du noyau étant coplanaires et venant s'appliquer sur un disque tournant extérieurement à l'axe ae rotation de celui-ci, le disque comportant au moins une paire de secteurs dont l'un est en matériau ferromagneticlue et l'autre est en matériau non magnétique, la bobine mobile étant située dans l'entrefer du circuit magnétique, de façon que l'induction subie par cette bobine nubile varie lorsque le disque tourne, par suite de la variation de réluctance du ci circuit magnétique ainsi constitué,