Brevet FR2712699A1 — publié le 19950524

Procédé de mesure de la vitesse de rotation d'une machine tournante génératrice d'un signal acoustique périodique La mesure de la vitesse de rotation, ou la détermination du régime, d'un moteur à combustion interne est utilisée pour contrôler, en garage, le bon fonctionnement du moteur. D'une part, eu égard au fonctionnement du moteur, cette mesure permet de régler le ralenti et, d'autre part, eu égard aux problèmes de pollution, elle permet de maintenir le moteur à une vitesse de rotation déterminée pour mesurer, dans ces conditions, les rejets de gaz toxiques. En effet, et par exemple, comme l'efficacité d'un pot d'échappement catalytique est quasi-nulle à faible vitesse, elle doit, sous peine d'erreur, être mesurée à une vitesse précise de sa plage d'efficacité. Pour cette mesure de vitesse, deux procédés sont principalement appliqués. Le premier est appliqué aux moteurs à essence. On place une pince ampèremétrique sur un fil d'alimentation d'une des bougies et, à chaque allumage, elle fournit une impulsion électrique. Par comptage des impulsions détectées pendant une durée déterminée, on calcule la fréquence des allumages de la bougie et, connaissant le nombre de tours du moteur par allumage, on en déduit la vitesse de rotation. Cependant, la détection des impulsions d'allumage est sujette à aléas car leur forme, et en particulier leur amplitude maximale, est très variable d'un modèle de voiture à un autre. En outre, la tendance des constructeurs est à masquer le moteur et les fils et câbles électriques, si bien que ce procédé nécessite beaucoup de main-d'oeuvre. Le second procédé s'applique aux moteurs diesel. On entoure la tubulure d'injection par deux demi-coquilles piézo-électriques que l'on serre sur la tubulure et on détecte les dilatations de la tubulure à chaque injection. Cependant, en cas d'injection directe, il n'y a pas de tubulure pour effectuer cette mesure. Par ailleurs, et accessoirement, le document US-A-4 452 079 enseigne un procédé dans lequel on capte le bruit acoustique du moteur au moyen d'un 2 2712699 microphone et on effectue, sur le signal électrique obtenu, une recherche de fréquences par balayage, en scrutant le signal du microphone au moyen d'un filtre passe-bande, à bande étroite, asservi en fréquence par un signal de commande de balayage. Lorsque la sortie du filtre présente une amplitude maximale, à laquelle correspond une valeur du signal de commande de balayage, on mémorise cette valeur représentant la fréquence scrutée à cet instant. La correspondance entre les valeurs du signal de commande et les fréquences scrutées fournit la valeur de la vitesse de rotation recherchée. Ce dernier procédé permet de s'affranchir des problèmes d'accès au moteur mais présente des limitations. En effet, comme le temps de réponse, ou l'inertie, d'un filtre passe-bas croît à mesure que l'on réduit sa bande-passante, tout accroissement de la précision en fréquence, par réduction de la bande- passante, s'effectue au détriment de la durée de balayage nécessaire, qui peut devenir prohibitive, c'est-à-dire que l'on obtiendra avec retard une mesure ponctuelle précise, mais ne correspondant plus forcément au régime du moteur, s'il en a changé entre temps. Si, au contraire, le balayage est trop rapide, l'inertie du filtre crée un traînage d'une fréquence recherchée à la suivante, si bien que l'amplitude mesurée peut être faussée par la précédente. La présente invention vise à améliorer le procédé de mesure par microphone et donc la détection de la fréquence recherchée dans le signal acoustique du moteur, tout en l'étendant à la mesure de vitesse de toute machine tournante génératrice d'un signal acoustique périodique. A cet effet, I'invention concerne un procédé de mesure de la vitesse de rotation d'une machine tournante génératrice d'un signal acoustique périodique, dans lequel: - on capte, au moyen d'un transducteur, le signal acoustique de la machine comportant des composantes de fréquences diverses et - on recherche dans le signal la composante à une fréquence particulière de plus grande énergie, pour en déduire la vitesse de rotation de la machine, procédé caractérisé par le fait que, pour effectuer la recherche de la composante à fréquence particulière, on transforme le signal dans le domaine fréquentiel en une pluralité de composantes fréquentielles d'énergies particulières et on isole celle de plus grande énergie. Le traitement du signal dans le domaine des fréquences permet de l'analyser en séparant ses diverses composantes fréquentielles, sans interaction temporelle, ou traînage, entre elles. De préférence, on soumet des portions du signal acoustique à une transformation de Fourier. On peut ainsi, en particulier, utiliser des circuits numériques spécialisés présentant une grande rapidité d'exécution de calculs et une précision élevée. Avantageusement, on estime la valeur de la vitesse de rotation de la machine et on en déduit la fréquence estimée correspondante, on détermine une plage d'incertitude entourant la valeur de la fréquence estimée et on limite la recherche de la composante à fréquence particulière aux composantes situées dans la plage. On élimine ainsi des fréquences harmoniques du signal acoustique du moteur et des fréquences dues aux bruits externes, ce qui réduit le risque d'erreur. Avantageusement encore, le procédé étant appliqué à un moteur à combustion interne monté sur un véhicule automobile comportant un habitacle, on dispose dans l'habitacle au moins un microphone comme transducteur et éventuellement deux microphones, espacés l'un de l'autre, pour s'affranchir de perturbations acoustiques locales. On peut ainsi disposer de deux signaux perturbés différemment, que l'on peut traiter, soit en combinaison, soit isolément par commutation d'un des microphones sur l'autre. 4 2712699 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du mode de réalisation préféré d'un dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un organigramme illustrant le procédé de l'invention, - la figure 2 est un schéma par blocs du dispositif de mesure et - la figure 3 est un spectre de raies du signal acoustique d'un moteur. Le dispositif de mesure de l'invention sert, dans cet exemple, à mesurer la vitesse de rotation d'un moteur à explosion 1, ici à essence, d'un véhicule automobile. Le dispositif comporte un microphone 2 captant, à une étape 10, le signal acoustique périodique du moteur 1 et le transformant en un signal électrique représentant le signal acoustique périodique comportant des composantes de fréquences diverses, dues au moteur 1 et à des bruits parasites. Ce signal, temporel, est ensuite converti dans le domaine fréquentiel pour en analyser le spectre et repérer une fréquence fondamentale fo à laquelle correspond la vitesse de rotation du moteur 1. Cette correspondance dépend, dans cet exemple, du nombre d'explosions par tour du moteur 1. La conversion temps/fréquence est effectuée par une transformation de Fourier qui, ici, est réalisée de façon numérique, c'est-à-dire qu'il s'agit d'une transformation de Fourier discrète. On trouvera un exposé sur la transformation de Fourier dans l'ouvrage "Compléments de Mathématiques" de A. ANGOT, Collection Technique et Scientique du CNET, Editions de la Revue d'Optique, PARIS, 1965. Préalablement à cette transformation de Fourier, un échantillonneur- convertisseur analogique/numérique 3 reçoit le signal du microphone 2 et, à une étape 11, alimente en échantillons numériques un microprocesseur 4, dans lequel on recherche la composante fo du signal acoustique, de plus grande amplitude ou énergie, à une fréquence particulière, pour en déduire la vitesse de rotation du moteur 1. 2712699 Dans le microprocesseur 4, un circuit 5 regroupe, à une étape 12, les échantillons successifs par blocs, ou portions, du signal acoustique, de taille N prédéterminée. Le circuit 5 alimente un bloc de calcul 6 effectuant, à cette étape 12, une transformation de Fourier discrète sur chaque bloc reçu et fournissant ainsi, dans le domaine fréquentiel, un spectre de raies, ou composantes fréquentielles, représenté sur la figure 3, du signal acoustique temporel du microphone 2, ayant chacune une énergie E particulière. Le spectre de raies ]0 contient la même information que le signal temporel mais cette information y est explicitement présentée par l'amplitude, ou l'énergie, et la phase de chaque raie. A une étape 13 de recherche de la composante fréquentielle fo d'énergie E la plus grande, on procède préalablement, dans cet exemple, à un regroupement des énergies E des raies à des fréquences très proches, ou paquets de composantes, si bien que les amplitudes des raies sont converties en valeurs numériques d'énergies qui sont composées ensemble, ici additionnées sans pondération. Pour ce faire, un comparateur 7 repère les raies éligibles (20-26), c'est-à-dire celles susceptibles de représenter la fréquence fondamentale du signal acoustique, en repérant celles de plus grande amplitude, ou énergie. Cette comparaison peut être effectuée de façon itérative, en retenant à chaque fois la raie de plus grande énergie, ou de façon simultanée par une arborescence, afin de déterminer la valeur maximale d'énergie, servant ensuite de référence pour repérer les raies éligibles, dont l'énergie E dépasse une fraction prédéterminée de cette énergie maximale. Dans un additionneur 8, on effectue, pour chacune de ces raies éligibles 20- 26, l'addition des énergies de toutes les raies éligibles proches, 21-22, 23-26, situées dans une plage d'incertitude, réduite, de fréquences entourant la raie éligible considérée, et on détermine une énergie composite 30-32 pour chaque plage d'incertitude correspondant à un paquet de composantes. En fin de I'étape 13, un comparateur 9 détermine quelle est l'énergie composite 30-32 la plus grande, ce qui permet de repérer, ou isoler, la fréquence fo recherchée, 6 2712699 représentant la vitesse de rotation du moteur 1. A une étape 14, on convertit la valeur de la fréquence repérée fo en une valeur de tours par minute, par un coefficient de conversion C fonction des caractéristiques du moteur, c'est-à- dire du nombre d'explosions par tour. On comprendra que, en l'absence de composition des énergies, le comparateur 7 et l'additionneur 8 seraient superflus. Cependant leur présence permet, si on le souhaite, d'obtenir un résultat plus fiable. En effet, dans le cas o la vitesse de rotation du moteur 1 fluctue, ou est modulée, pendant la durée correspondant à un bloc d'échantillons, I'énergie correspondante est étalée sur une bande de modulation. De même, dans le cas o les angles d'allumage entre bougies sont légèrement différents, le signal acoustique composite présente une modulation sousharmonique correspondant aux écarts angulaires. De ce fait, si, comme représenté à la figure 3, I'analyse spectrale est effectuée avec une résolution fréquentielle élevée, donc sur un bloc représentant une durée relativement importante pendant laquelle le signal temporel risque de ne pas être stationnaire, on détectera, à la place de chaque raie représentant la fréquence fondamentale fo ou l'un de ses harmoniques ou sous-harmoniques, un ensemble de sous-raies très voisines 21-22, 23- 26 distantes du pas P représentant la résolution fréquentielle, et d'amplitudes, ou énergies, réduites par l'étalement de l'énergie entre ces sous-raies voisines. Les rapports de l'amplitude 21-22 représentant la fréquence fondamentale fo par rapport à celles représentant les harmoniques 23-26 et sous-harmoniques 20, dont les premiers sont respectivement représentés, risquent alors d'être faussés et d'entraîner une erreur de la mesure de vitesse fournie. En particulier, la largeur de modulation des fréquences sous-harmoniques est, par principe, réduite à une fraction de celle de la fréquence fondamentale fo. De ce fait, on risque, lors de la séparation des fréquences, de ne détecter, pour chaque sous-harmonique, qu'une raie unique 20, d'amplitude inchangée, "couvrant" la totalité de la plage réduite de modulation, alors qu'on détectera plusieurs sous-raies 21-22, 23-26, d'amplitudes réduites, pour la fréquence fondamentale fo et les harmoniques, ce qui pourrait fausser la décision en absence de composition des énergies. 7 2712699 En outre, afin de limiter encore les risques d'erreur, il aurait aussi pu être prévu d'estimer la vitesse de rotation du moteur 1 et de limiter la plage de recherche de la fréquence fo aux composantes fréquentielles situées dans une plage d'incertitude entourant la valeur de la fréquence estimée. Cette estimation peut, par exemple, être effectuée à l'oreille ou au moyen d'un compte-tours, si l'on en dispose. Cette limitation de la plage de recherche peut être réalisée numériquement, dans le domaine fréquentiel, lors de la transformation de Fourier ou lors des recherches d'énergies qui suivent. Elle peut aussi être réalisée de façcon analogique par un filtre passe- bande en entrée du convertisseur 3, ou encore par un filtre numérique à sa sortie. Même en l'absence d'estimation préalable de la fréquence recherchée, un filtrage passe-bas ou passe-bande permet d'éliminer les bruits, en particulier haute-fréquence, hors de la plage de recherche, par exemple 20-200 hertz, et évite un repliement des parties marginales du spectre sur la plage de recherche. Afin de limiter le bruit parasite capté par le microphone 2, celui-ci est ici placé dans l'habitacle du véhicule, son fil étant pincé par une vitre remontée. En outre, comme l'habitacle est un volume fermé présentant des ondes acoustiques stationnaires, il a ici été prévu un autre microphone, espacé du microphone 2, afin de disposer en permanence d'un signal, à toutes les fréquences, même lorsqu'une fréquence présente un noeud de vibration, ou résonance, à la position occupée par l'un des microphones. On peut alors, en cas de mesure manifestement incorrecte, commuter d'un microphone sur l'autre, non situé près d'un noeud de vibration. On peut encore, de façcon automatique, avant ou après transformation de Fourier, composer, ou combiner, les signaux des deux microphones et en déterminer un signal composite correspondant, pour chaque fréquence, à la valeur du signal le plus grand. Choisissant ainsi, pour chaque fréquence, la valeur "crête" la plus grande parmi les deux signaux, c'est-à-dire l'amplitude temporelle instantanée des signaux temporels avant transformation ou bien l'amplitude des raies représentant l'énergie du bloc d'échantillons à la fréquence considérée, on masque ainsi la modulation d'amplitude en fonction de la fréquence, due aux 8 2712699 noeuds et ventres de vibration et à leur déplacement en fonction de la fréquence. On effectue ainsi une égalisation sans pour autant fausser l'amplitude des composantes fréquentielles, ou raies, simultanément présentes dans les deux signaux, puisqu'il ne s'agit pas d'une addition des amplitudes mais du choix permanent du signal le plus grand. L'utilisation de plus de deux microphones espacés permettrait d'améliorer encore l'égalisation ci-dessus. En outre, dans le cas o les deux microphones captent le signal acoustique du moteur 1 avec des atténuations dans un rapport connu, la comparaison des deux signaux permet de déterminer le bruit parasite, ne présentant pas ce rapport, et de l'éliminer au moins partiellement du signal utilisé. Le procédé de l'invention est applicable à toute machine produisant un signal acoustique périodique. En particulier, ce peut être le bruit des explosions d'un moteur à combustion interne, le bruit mécanique d'une machine tournante ou encore le bruit d'une machine non rotative mais tournante, en ce sens qu'elle présente cycliquement une succession quasistationnaire d'états, dont certains sont liés à une émission sonore. On peut par exemple songer à un carrousel d'embouteillage ou à une rotative d'imprimerie. 9 2712699 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la vitesse de rotation d'une machine tournante (1) génératrice d'un signal acoustique périodique, dans lequel: - on capte (10), au moyen d'un transducteur, le signal acoustique de la machine comportant des composantes de fréquences diverses et - on recherche (13) dans le signal la composante à une fréquence particulière (fo) de plus grande énergie, pour en déduire (14) la vitesse de rotation de la machine (1), procédé caractérisé par le fait que, pour effectuer la recherche de la composante à fréquence particulière, on transforme (12) le signal dans le domaine fréquentiel en une pluralité de composantes fréquentielles d'énergies particulières et on isole celle de plus grande énergie. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on soumet des portions du signal acoustique à une transformation de Fourier (12). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on combine (8) les énergies de composantes fréquentielles voisines (21-22) par paquets de composantes, pour en déterminer des énergies composites (31) de paquet et on isole la plus grande. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on estime la valeur de la vitesse de rotation de la machine (1) et on en déduit la fréquence estimée correspondante, on détermine une plage d'incertitude entourant la valeur de la fréquence estimée et on limite la recherche de la composante à fréquence particulière aux composantes situées dans la plage. 5. Procédé selon l'une des revendications I à 4, appliqué à un moteur à combustion interne. 2712699 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel, le moteur (1) étant monté sur un véhicule automobile comportant un habitacle, on dispose dans l'habitacle au moins un microphone (2) comme transducteur. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dispose dans l'habitacle deux microphones espacés l'un de l'autre, pour s'affranchir de perturbations acoustiques locales. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel on combine les signaux des O10 microphones pour s'affranchir de la modulation due aux noeuds et ventres de résonance dans l'habitacle.