Brevet FR2846090A1 — publié le 20040423

i PROCEDE DE CONTROLE ACOUSTIQUE D'UNE PIECE MOBILE EN ROTATION, EN PARTICULIER D'UN APPAREIL DE VENTILATION, DE CHAUFFAGE ETIOU DE CLIMATISATION POUR UN VEHICULE AUTOMOBILE L'invention se rapporte à un procédé de contrôle acoustique d'une pièce mobile en rotation, en particulier d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation pour véhicule automobile. Un test acoustique en fin de ligne d'assemblage est effectué sur la plupart des versions d'appareils de ventilation, de chauffage et/ou de 10 climatisation pour véhicule automobile. Le test porte sur l'acoustique du moteur du groupe moto ventilateur et des différents actionneurs tels que ceux de l'entrée d'air, du mixage et de la distribution. Un opérateur, placé dans une cabine isolée acoustiquement, effectue l'écoute et se prononce sur la conformité par rapport au bruit d'un 15 appareil identique servant de référence et par rapport à sa propre expérience sur un ensemble d'appareils de la même version jugés satisfaisants par le client (ou qui n'ont pas fait l'objet d'un retour chaîne ou d'un retour garanti du client). Le contrôle est ainsi entièrement subjectif et donc source de 20 risque lié à: - la fatigue de l'opérateur, et/ou - l'accoutumance, et/ou - des différences d'appréciation de la part d'un même opérateur pour des raisons purement physiologiques (sensibilité / réceptivité 25 différente dans le temps) ou entre opérateurs (critères différents d'appréciation). Par ailleurs, ce procédé très empirique ne permet pas la traçabilité des produits et l'identification d'une dérive de production. Il ne permet pas non plus la constitution de base de données de produits qui 30 pourrait servir à établir une corrélation entre la variabilité acoustique en production et la conception des composants et sous-ensembles. De plus, les constructeurs automobiles attachent une grande importance à la qualité acoustique des produits et donc à la fiabilité du test acoustique en production. Ils demandent donc souvent la mise en place d'un 35 contrôle objectif fondé sur des mesures acoustiques. Enfin, les cabines acoustiques actuelles sont coteuses et encombrantes, et ralentissent le fonctionnement des lignes d'assemblage. Le contrôle acoustique doit être suffisamment fiable pour écarter les pièces bruyantes, sans pénaliser le fonctionnement de la ligne de production par des 5 fausses détections trop nombreuses. Le cot du système doit également être tel qu'il puisse être généralisé à toutes les chaînes de production actuelles ou futures. Pour résoudre ce problème, l'invention propose d'automatiser ce procédé en vue d'obtenir des résultats fiables et de manière rapide. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de contrôle acoustique d'une pièce mobile en rotation, en particulier appartenant à un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation de véhicule automobile telle qu'un moteur ou un actionneur, comprenant les étapes suivantes: - mesurer la vitesse de rotation de la pièce, - récupérer le signal acoustique émis par la pièce en rotation à l'aide d'au moins un microphone, - réaliser un traitement numérique sur le signal acoustique obtenu, et - établir si la pièce est considérée comme acceptable ou non par une méthode de corrélation avec un ensemble témoin de pièces de référence de même type que celle analysée et dont les caractéristiques acoustiques sont identifiées. Selon un premier mode préféré de réalisation de l'invention, le 25 traitement numérique du signal acoustique comprend une étape de traitement temporel consistant à évaluer l'énergie acoustique contenue dans une bande de fréquences basses dudit signal pour quantifier les défauts acoustiques issus de phénomènes de relaxation ou pseudo-périodiques lents de la pièce. Plus particulièrement, l'étape de quantification temporelle 30 consiste à: - échantillonner le signal électrique délivré par le microphone, regrouper les échantillons en blocs successifs de taille fixe, - opérer une transformée de Fourier sur chaque bloc pour 35 ne retenir que des raies situées dans une bande passante prédéterminée, - calculer l'énergie acoustique contenue dans cette bande pour chaque bloc en sommant le carré de l'amplitude de chaque bande, - établir la variation de l'énergie acoustique sur l'ensemble 5 de la population formée par les blocs en calculer la moyenne et l'écart-type de l'énergie de ladite population, et - déterminer la signature acoustique par la formule: valeur moyenne + k x (écart-type), la constante k étant comprise entre 1 et 6, en particulier égale à 3. 10 Ainsi, la transformée de Fourier est appliquée sur le signal temporel et donne pour résultat le spectre d'énergie, c'est-à-dire l'énergie par fréquence. Une fois la transformée de Fourier effectuée, les valeurs en dehors des raies sont écartées. La transformée de Fourier permet de passer le signal du mode temporel au mode fréquentiel. Elle utilise pour cela de préférence 15 une bande de fréquences comprise entre 1 à 9 kHz (fréquence basse). Selon un deuxième mode préféré de réalisation de l'invention, le traitement numérique informatique du signal acoustique comprend une étape de traitement fréquentiel consistant à calculer l'écart d'énergie entre au moins une raie de fréquence acoustique émergeante et des raies qui lui sont 20 proches. Plus particulièrement, l'étape de calcul de l'écart d'énergie consiste à échantillonner le signal électrique délivré par le microphone, - regrouper les échantillons en blocs successifs de taille fixe, - déterminer par calcul la fréquence du fondamental acoustique du signal et de ses harmoniques en fonction de la vitesse de rotation mesurée, - rechercher les pics de fréquence au voisinage de cette 30 fréquence et desdites harmoniques, - filtrer les pics en centrant la filtration sur les fréquences acoustiques issues de l'étape précédente, et - pour chacune des bandes de fréquences acoustiques obtenues, calculer le ratio entre l'énergie acoustique du 35 fondamental, ou de chacun des harmoniques, et les deux bandes de fréquences de part et d'autre du fondamental ou de l'harmonique considéré. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention: - l'étape de corrélation consiste à comparer les notes 5 attribuées à des pièces témoins par un panel d'experts avec la note attribuée à la pièce analysée par le traitement numérique du signal acoustique. De préférence, une note de 1 à 10 étant attribuée à la qualité acoustique d'un échantillon de pièces témoins, une pièce analysée est jugée inacceptable lorsque sa note est inférieure à un seuil déterminé. - ou bien l'étape de corrélation consiste à réaliser une étude statistique à partir d'une population de pièces jugées acceptables. De préférence, si un critère C issu de l'analyse temporelle des pièces présente une valeur moyenne Cmoy et un écart-type Csigma, une pièce est jugée acceptable si sa note est supérieure à Cmoy+ n x (Csigma), n étant inférieur ou 15 égalà6. - ou encore, l'étape de corrélation consiste à déterminer le seuil à l'optimum selon le critère de Bayes sur deux populations de pièces, l'une représentative de pièces acceptables et l'autre représentative de pièces inacceptables. Avantageusement, l'étape de corrélation consiste en une combinaison d'au moins deux desdites techniques différentes. Par exemple, la méthode de comparaison d'après l'avis d'experts est utilisée en phase de démarrage de production, la méthode statistique de comparaison avec des pièces déclarées acceptables est utilisée en production courante, et la 25 méthode de recherche du seuil à l'optimum selon le critère de Bayes est utilisé lorsqu'un lot de pièces mauvaises de taille suffisante pour constituer un échantillon représentatif d'une population est constitué. Le traitement numérique du signal peut également être constitué par une combinaison du traitement temporel et du traitement 30 fréquentiel. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit relative à un exemple particulier appliqué à l'analyse du moteur appartenant au groupe motoventilateur (pulseur) d'un appareil de ventilation, de chauffage et de 35 climatisation d'un véhicule automobile. Cette analyse est menée en fin de chaîne de production, avant livraison au constructeur automobile. Le système de contrôle acoustique objectif est constitué d'un ensemble de matériels et de logiciels qui mettent en oeuvre les étapes suivantes: - Une mesure de la vitesse de rotation du moteur électrique 5 par un dispositif sans contact basé sur la recherche de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques issues des impulsions de courant générées par la commutation des balais sur le collecteur électrique, dans le cas d'un du rotor d'un moteur à courant continue, ou par la fréquence de commutation des bobines, dans le cas d'un moteur à commutation 10 électronique. - Une récupération du signal acoustique à l'aide d'au moins un microphone, directif ou non directif, disposé proche de l'appareil à analyser, et - Un traitement numérique du signal acoustique selon 2 méthodes éventuellement complémentaires, à savoir une méthode de 15 traitement temporel pour évaluer l'énergie contenue dans une bande de fréquences basses afin de piéger les défauts acoustiques issus de phénomènes de relaxation ou pseudo-périodiques lents (fréquences issues de la vitesse de rotation du moteur), et une méthode de traitement fréquentiel pour calculer l'écart d'énergie entre les raies des fréquences acoustiques 20 émergeantes et les autres fréquences qui leur sont proches. Détail du traitement temporel: Ce traitement comporte les sous-étapes suivantes: L'échantillonnage numérique ou analogique du signal électrique délivré par le microphone, à une fréquence de 44,1 kHz sur une 25 durée de 0,5s, soit 22050 échantillons; Le regroupement des échantillons successifs en blocs de taille fixe, typiquement 64 échantillons par bloc. Les blocs sont de préférence adjacents, mais ils peuvent être en recouvrement, auquel cas deux blocs successifs ont des échantillons communs. Le nombre de blocs est déterminé 30 par la fréquence d'échantillonnage, la durée d'enregistrement et la taille de chaque bloc. Dans le cas présent, il y a typiquement 344 blocs ((44100 x 0,5)/64); La réalisation d'une transformée de Fourier sur chaque bloc, pour ne retenir que les raies situées dans une bande passante fixée à 1-9 35 kHz. Cette opération réalise le filtrage numérique passe bande d'un bon bloc sur une bande de fréquences déterminée; Le calcul de l'énergie contenue dans cette bande pour chaque bloc en sommant le carré de l'amplitude de chaque raie. La résolution en fréquence est donc de 269 Hz (44100/(2,56 x 64)). Cette énergie est corrigée pour être transformée en énergie acoustique exprimée en dB par calibrage du microphone avec une source de 1 Pa et référence du dB à 20ctPa; Compte tenu des fluctuations de rotation du moteur, le spectre acoustique n'est pas stationnaire: l'énergie acoustique varie dans le temps, sa variation sur l'ensemble de la population des blocs est donc évaluée. Le calcul de la moyenne et de l'écart type de l'énergie sur la population des blocs 10 est alors effectué. Le calcul d'une signature, ou note représentative de l'analyse temporelle, est réalisé. Cette note est donnée par la formule: C = moyenne + k x (écarts types), avec k compris entre 1 et 6 selon le degré choisi de sévérité de la mesure, et typiquement égal à 3 dans l'exemple choisi. Il s'agit d'une valeur homogène à une puissance acoustique 15 moyenne compte tenu de la dispersion de l'échantillon sur une bande de fréquences préétablie. Détail du traitement fréquentiel Le spectre en fréquence est calculé à partir de la même base d'échantillons utilisés pour le traitement temporel. Le spectre est calculé en 20 bandes fines. L'échantillonnage est effectué à 44 100 Hz sur une durée de 0,5 s. Les échantillons sont regroupés en blocs de 8192 échantillons avec un taux de recouvrement entre blocs de 75%. Ces valeurs conduisent à la construction d'environ 10 blocs. Avec ces valeurs, la résolution spectrale est d'environ 2 Hz (44100/(2,56 x 8192)). La mesure de la vitesse de rotation du moteur détermine les fréquences pour lesquelles un pic d'amplitude est recherché. Les fréquences correspondent, dans le cas d'un moteur à collecteur tournant et balais, au 30 nombre de pôles du collecteur multiplié par la vitesse ou fréquence de rotation du moteur. En effet les défauts acoustiques sont essentiellement générés par le frottement du balai à la mise en contact d'un des pôles du collecteur. Ainsi dans le cas typique d'un moteur à courant continu à 12 pôles, la fréquence fondamentale est: 12 N N lf= 6 =- o N désigne la vitesse de rotation du moteur en nombre de tours par minutes et fo, la fréquence en hertz. Pour un moteur ayant k pôles, la fréquence égale à: fo= k-N O- 60 Les émergences de fréquences et ses 3 premières harmoniques f1, f2, et f3 sont essentiellement recherchées. Par convention pour un moteur à 12 pôles, ces fréquences sont notées fH12, fH24, fH36, fH48. Dans le cas typique d'un moteur à commutation électronique, la formule f0 = 60 reste valable, k représentant alors le nombre de bobines 60 du moteur. Dans le spectre acoustique issu des échantillons, les pics de fréquence au voisinage de ces fréquences probables issus de la vitesse de rotation du moteur sont recherchés. En raison, des fluctuations de la vitesse du moteur et du pas 15 de résolution en bande fine, les pics des fréquences acoustiques peuvent être décalés. Les bandes de recherche du spectre émergeant acoustique, d'un pas de largeur identique typique de 2Hz (correspondant à la résolution de l'échantillonnage en bande fine) sont les suivantes (elles sont chacune 20 centrées sur les fréquences mentionnées ci-dessus issues de la vitesse de rotation du moteur): - 2 bandes de part et d'autre de fH12, soit une plage de recherche de largeur totale égale à 5 fois la résolution en bande fine, - 5 bandes de part et d'autre de fH24, soit 11 fois la résolution, 25 - 7 bandes de part et d'autre de fH36, soit 15 fois la résolution, - 10 bandes de part et d'autre de fH48, soit 21 fois la résolution. Pour chaque harmonique, la fréquence acoustique ayant la plus grande amplitude à l'intérieure des bandes d'analyse respectives est recherchée. Ainsi, les fréquences maximales fMax(H12), fmax(H24), fmax(36), et 30 fMax(48), sont déterminées. L'énergie H au voisinage des fréquences maximales acoustiques fMax(H12), fMax(H24), fMax(36), fMax(48), et l'énergie des bandes S- et S+ encadrant les fréquences maximales, sont ensuite calculées. Ainsi, pour chaque harmonique i: - Hi est l'énergie dans la bande fmax(i) obtenue en sommant le carré de l'amplitude de l'harmonique i et de la raie inférieure et supérieure adjacentes (3 raies au total centrées sur fMax(i)); - S. est l'énergie dans la bande inférieure de largeur égale à 5 3 raies situées à 8Hz, 10Hz et 12Hz en dessous de la raie fmax(i) obtenue en sommant le carré des amplitudes de chacune de ces raies; - S+ est l'énergie dans la bande supérieure de largeur égale à 3 raies situées à 8Hz, 10Hz et 12Hz au-dessus de la raie fmax(i) obtenue en sommant le carré des amplitudes de chacune de ces raies; Les valeurs Hi, S, S+ sont alors converties en dB acoustiques. Le calcul se poursuit par la formule suivante S- + S' M = 1 La signature ou note attribuée à l'harmonique i pour l'analyse 15 fréquentielle est égale à: N I(i) = H. - M La différence en dB correspond au calcul d'un ratio de puissance acoustique entre l'harmonique i et les fréquences à son voisinage. Lors de l'étape de corrélation permettant, en fonction du signal 20 sonore, de déterminer si la pièce est valable ou non, il est possible de faire intervenir une ou plusieurs des techniques décrites ci-après: - La méthode de régression selon les notes attribuées par un panel d'experts: Dans les conditions de production, une note de 1 à 10 est attribuée à la qualité acoustique d'un échantillon de pièces d'une population, 25 par exemple 50. Un composant dont la note est inférieure à un certain seuil, par exemple 6, est jugé inacceptable. Le critère " C " issu de l'analyse temporelle est corrélé à la note Ne\peI par régression linéaire simple du type: Ne\XPert = a- C + b, avec a et b des coefficients calculés à partir de l'échantillon de pièces présenté ci-avant. Au moyen de cette relation le 30 seuil Sert fixe la valeur du critère qui sépare les deux classes de composants (bons ou mauvais); - La méthode sur la statistique de pièces non mauvaises: A défaut d'un nombre suffisant de pièces ayant des caractéristiques acoustiques différenciées, le critère de sélection est fixé à partir de la population des 35 pièces non refusées par le client. Si, sur un échantillon de grande taille, la note C a une valeur moyenne C0,,,1 et un écart type Ci,,,,,, un composant sera jugé bon si sa note est supérieure à Carlo) + n CsigT1na, n pouvant être inférieur ou égal à 6; Méthode de détermination du seuil à l'optimum selon le 5 critère de Bayes: La méthode est basée sur la statistique de la valeur " C " sur deux populations. L'une est représentative des pièces bonnes, l'autre représentative de pièces mauvaises. La note C, qui fixe le seuil, est déterminée par calcul en dehors du procédé de fabrication de la pièce à partir de notes C de chacune des pièces qui constituent les 2 lots. Les 3 méthodes de définition des critères sont compatibles entre elles et convergentes. Elles correspondent aux différentes phases de connaissance des caractéristiques acoustiques de la population d'une production. Il est ainsi possible d'utiliser la méthode de régression d'après l'avis d'experts en phase de démarrage de production, la méthode de 15 statistique de pièces non déclarées mauvaises en production établie, et la méthode de recherche du seuil à l'optimum selon le critère de Bayes lorsqu'un lot de pièces mauvaises et de taille suffisante pour constituer un échantillon représentatif d'une population est constitué. Le critère d'acceptation sur le signal fréquentiel est défini 20 comme suit: Pour chaque harmonique i, le composant est accepté, pour ce critère, si la valeur de NH(i) = Hi - M, est inférieur à un seuil Si, par exemple si NH(i) Le composant est déclaré bon s'il satisfait simultanément à la 25 fois au critère temporel et au critère fréquentiel. Un tel procédé automatisé d'analyse présente ainsi les avantages suivants: - une bonne corrélation avec les attentes du client, - une traçabilité possible des produits, opposable 30 éventuellement aux clients, - la détection d'une dérive lente du processus de production, - la constitution d'une base de donnée de l'acoustique des appareils en production, - ce procédé ne nécessitant pas l'utilisation de moyens 35 d'études séparées, il est paramétrable in situ usine, - ce procédé est moins coteux et mieux intégré dans les chaînes d'assemblage, - ce procédé permet d'assurer un contrôle automatique robuste et reproductible des pièces. Il doit être bien entendu toutefois que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Ainsi, ce procédé est adaptable à d'autres pièces en rotation, notamment un actionneur mécanique de type pas à pas d'un volet de 10 distribution, d'entrée d'air ou de distribution. Le critère d'acceptation est fondé sur l'énergie acoustique globale en 1/3 d'octave, pondérée ou non, dans une bande de 20 Hz à 20 kHz. Le produit est acceptable s'il ne franchit pas le seuil limite déterminé par la valeur moyenne des composants non refusés par le client. il REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle acoustique d'une pièce mobile en rotation, en particulier d'un appareil de ventilation, de chauffage et/ou de climatisation de véhicule automobile, telle qu'un moteur ou un actionneur, comprenant les étapes suivantes: - mesurer la vitesse de rotation de la pièce, - récupérer le signal acoustique émis par la pièce en rotation à l'aide d'au moins un microphone, - réaliser un traitement numérique sur le signal acoustique 10 obtenu, et - établir si la pièce est considérée comme acceptable ou non par une méthode de corrélation avec un ensemble témoin de pièces de référence de même type que celle analysée et dont les caractéristiques acoustiques sont identifiées. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement numérique du signal acoustique comprend une étape de traitement temporel consistant à évaluer l'énergie acoustique contenue dans une bande de fréquences basses dudit signal pour quantifier les défauts acoustiques issus de phénomènes de relaxation ou pseudo-périodiques lents de la pièce. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape de quantification temporelle consiste à: - échantillonner le signal électrique délivré par le microphone, - regrouper les échantillons en blocs successifs de taille fixe, 25 - opérer une transformée de Fourier sur chaque bloc pour ne retenir que des raies situées dans une bande passante prédéterminée, calculer l'énergie acoustique contenue dans cette bande pour chaque bloc en sommant le carré de l'amplitude de chaque bande, - établir la variation de l'énergie acoustique sur l'ensemble 30 de la population formée par les blocs en calculer la moyenne et l'écart- type de l'énergie de ladite population, et - déterminer la signature acoustique par la formule: valeur moyenne + k x (écart-type), la constante k étant comprise entre 1 et 6, en particulier égale à 3. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement numérique informatique du signal acoustique comprend une étape de traitement fréquentiel consistant à calculer l'écart d'énergie entre au moins une raie de fréquence acoustique émergeante et des raies qui lui sont proches. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape de calcul de l'écart d'énergie consiste à: - échantillonner le signal électrique délivré par le microphone, - regrouper les échantillons en blocs successifs de taille fixe, - déterminer par calcul la fréquence du fondamental 10 acoustique du signal et de ses harmoniques en fonction de la vitesse de rotation mesurée, - rechercher les pics de fréquence au voisinage de cette fréquence et desdites harmoniques, - filtrer les pics en centrant la filtration sur les fréquences 15 acoustiques issues de l'étape précédente, et - pour chacune des bandes de fréquences acoustiques obtenues, calculer le ratio entre l'énergie acoustique du fondamental, ou de chacun des harmoniques, et les deux bandes de fréquences de part et d'autre du fondamental ou de l'harmonique considéré. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de corrélation consiste à comparer les notes attribuées à des pièces témoins par un panel d'experts avec la note attribuée à la pièce analysée par le traitement numérique du signal acoustique. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, une note de 25 1 à 10 étant attribuée à la qualité acoustique d'un échantillon de pièces témoins, une pièce analysée est jugée inacceptable lorsque sa note est inférieure à un seuil déterminé. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de corrélation consiste à réaliser une étude statistique à 30 partir d'une population de pièces jugées acceptables. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel, si un critère C issu de l'analyse temporelle des pièces présente une valeur moyenne Cmoy et un écart-type Csigma, une pièce est jugée acceptable si sa note est supérieure à Cmoy+ n x (Csigma), n étant inférieur ou égal à 6. 35. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'étape de corrélation consiste à déterminer le seuil à l'optimum selon le critère de Bayes sur deux populations de pièces, l'une représentative de pièces acceptables et l'autre représentative de pièces inacceptables. 11. Procédé selon les revendications 10, 6 ou 7, et 8 ou 9, dans lequel l'étape de corrélation consiste en une combinaison d'au moins deux desdites techniques de corrélation différentes. 12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la méthode de comparaison d'après l'avis d'experts est utilisée en phase de démarrage de production des pièces, la méthode statistique de comparaison avec des pièces déclarées acceptables est utilisée en production courante, et 10 la méthode de recherche du seuil à l'optimum selon le critère de Bayes est utilisé lorsqu'un échantillon représentatif d'une population de pièces inacceptables est constitué. 13. Procédé selon les revendications 2 ou 3 et 4 ou 5, dans lequel le traitement numérique informatique du signal est une combinaison du 15 traitement temporel et du traitement fréquentiel.