Mesures d’ondes de choc : technologies, Solutions

Les mesures d’ondes de choc lors des essais d’explosion concernent aussi bien le secteur militaire que des industries mettant en oeuvre des conteneurs de produits inflammables ou explosifs.

Trois grands types d’essai sont à distinguer: l’explosion à l’air libre, la déflagration canalisée et la déflagration en espace confiné :
■ une explosion à l’air libre génère une amplitude finie, et une onde supersonique se propage comprimant l’air avec des variations de densité et de température chaotiques, notamment du fait de projections de débris ou de matières, elles aussi à haute température ;

■ la déflagration canalisée, via l’utilisation d’un tube à chocs, présente une forme moins anarchique de termes de front et de vague de pression. Si la projection de débris, en plus de l’onde de pression (ou onde de chocs), peut avoir une incidence sur le système de mesure ;

■ la déflagration en espace confiné présente également une forme moins anarchique de termes de front et de vague de pression, et ce type d’essais permet de tester la résistance d’une structure.

ONDE DE PRESSION IDÉALE

Une onde de pression issue d’une explosion se distingue d’une onde sonore ou lumineuse par le fait que la première combine une compression du milieu dans lequel elle se propage (génération d’une surpression locale) et une augmentation
de température. Une fois le front passé, il y a un relâchement accompagné d’un refroidissement, générant une dépression locale. Le système va progressivement revenir à la pression atmosphérique (explosion en air libre). Une fois l’énergie
de l’explosion amortie, une onde acoustique (sonore), de moindre énergie et sans variation de température, continue à se propager.

-> Pression en un point suite à une explosion dans l’air

Selon l’environnement dans lequel on travaille, les propriétés de propagation des ondes diffèrent :

■ Dans un environnement gazeux (fluide compressible), l’explosion est amplifiée, la vitesse de propagation est lente et des débris peuvent être projetés en plus de l’onde de pression ;

■ Dans un environnement liquide (fluide incompressible), la vitesse de propagation est élevée et un phénomène de super-cavitation, c’est-à-dire un changement d’état liquide/gaz, peut même créer des perturbations importantes (explosion sous marine ;

Compte tenu des exigences mentionnées précédemment, PCB Piezotronics privilégie les technologies piézoélectrique et piézorésistive pour les capteurs destinés aux essais d’explosion. Ces deux technologies sont complémentaires, selon l’emplacement où sera installé le capteur, son encombrement, la réponse en fréquence, les matériaux en contact avec le fluide, la protection vis-à-vis du phénomène lumineux (photoflash), la protection de la membrane vis-à-vis des variations de température…
Technologie piézoélectrique :
■ Forme de capteurs : sonde profilée, mesure de surface à visser
■ Réponse en fréquence : grande fréquence de résonance > 500 kHz, mesures de pression impulsionnelle
■ Matériau de l’élément sensible : titane ou acier inoxydable
■ Signal de sortie haut niveau ICP® : réduction de l’impact de l’onde de pression sur le câble, grande longueur de câble
■ Température d’exposition : ICP® jusqu’à +1 650 °C en pic sans dommage
■ Technologie piézorésistive
■ Conception miniature : capteur pelliculaire en encombrement réduit, surface à coller
■ Réponse en fréquence : du continu 0 Hz jusqu’à 1 200 000 Hz
■ Élément sensible MEMS à pont de Wheatstone : excellent rapport signal/bruit, linéaire à 3x la gamme de mesure, tenue mécanique à 5x la gamme de mesure
■ Nombreuses options : gel de protection, graisse noire contre l’effet photoflash, grille de protection (impacts de particules), connecteur intégré ou sortie câble.

MESURES D’ONDES DE CHOC EN CHAMP LIBRE – ONDE INCIDENTE

Dans les explosions en champ libre, ou milieu ouvert, on distingue la mesure de l’onde incidente de celle de l’onde réfléchie. Dans le premier cas, il s’agit de mesurer la surpression correspondant au halo blanc généré par une source d’explosion. Les critères essentiels à prendre en compte pour effectuer une bonne mesure d’onde incidente sont :
■ Temps de montée le plus court possible ;
■ Fréquence de résonance la plus élevée possible pour que le capteur ne rentre pas en résonance ;
■ Profil du capteur le moins intrusif possible par rapport à la propagation de l’onde (minimum de perturbations générées), ce qui permet également de multiplier les points de mesure pour une cartographie ;
■ Protection du conditionnement en l’éloignant du capteur (grandes longueurs de câble et électronique intégrée ICP®).

PCB Pieztronics préconise la gamme de sondes de pression effilées ICP® Série 137, avec utilisation de la résine RTV pour protéger le capteur du flash thermique :
■ Sonde à 1 capteur : gamme de mesure de 3,5 à 70 bar, temps de montée < 4 μs, fréquence de résonance >= 400 kHz ;
■ Sonde « Double » : 2 capteurs de 3,5 à 70 bar et distants de 100 mm, mesures proches en évitant les effet d’ombrage, mesure de vitesse de propagation, mesure de décroissance d’onde de choc ;
■ Sonde « Placebo » : 2 capteurs dont l’un est insensible à la pression mesurée afin de connaître l’influence de l’environnement (vibrations du mât, effet triboélectrique, des câbles…) et, ainsi, améliorer la précision.

Le capteur (et potentiellement son câble) étant directement exposé à l’explosion, PCB Piezotronics recommande de maintenir la sonde, mais le support peut alors vibrer à des fréquences de résonance propres, réagir à des phénomènes de réverbération, aux variations de température. Tout cela impose certaines précautions afin d’éviter que les systèmes (autres sondes) se perturbent mutuellement.

MESURES D’ONDES DE CHOC EN CHAMP LIBRE – ONDE RÉFLÉCHIE

Une onde rencontrant un obstacle sera absorbée et/ou réfléchie. Dans le cas d’une onde de pression issue d’une explosion en champ libre, l’amplitude des ondes incidente et réfléchie se combinent, l’intensité de la pression résultante locale, mesurée ici par un capteur de surface (membrane perpendiculaire à l’onde de choc), étant plus du double de l’amplitude de l’onde. Les critères essentiels à prendre en compte pour effectuer une bonne mesure d’onde réfléchie sont :
■ Temps de montée le plus court possible ;
■ Fréquence de résonance la plus élevée possible ;
■ Capteur compensé en accélération.

PCB Pieztronics préconise la gamme de sondes de pression piézoélectriques Série 113B :
■ Membrane affleurante ou en retrait, voire capteur déporté (filtrage des très basses fréquences issues de l’onde par la conductance de l’air) ;
■ Capteur vissé directement sur une paroi ;
■ Temps de montée : ≤ 1 μs ;
■ Fréquence de résonance : > 500 kHz ;
■ Gamme de mesure en ICP : 3,5 à 700 bar ;
■ Compatible avec des chocs jusqu’à 20 000 g ;
■ Pour les phénomènes encore plus sévères ou ultra-rapides : Série 134 (temps de monté ≤ 0,2 μs, fréquence de résonance ≥ 1 500 kHz, gamme de mesure jusqu’à 1 379 bar).

PCB Piezotronics recommande plusieurs précautions, à l’instar de protéger la membrane des débris avec du gel ou certaines graisses, ainsi que la sortie du capteur et le câble, de s’affranchir de la vibration et de la résultante dynamique de la structure, etc.

En ce qui concerne la mesure d’ondes de chocs en milieu confiné, l’une des applications typiques est l’explosion dans un espace fermé. Pour mesurer la surpression ainsi produite, une décroissance de pression relativement lente (de plusieurs millisecondes à quelques secondes) et l’énergie totale générée, il faut un capteur avec un front de montée rapide. La solution recommandée par PCB Piezotronics est le capteur piézorésistif Endevco 8530C, grâce aux avantages suivants :

■ Membrane affleurante ;
■ Capteur vissé directement sur une paroi ;
■ Réponse basse fréquence, du continu jusqu’à plus de 100 kHz ;
■ Étendue de mesure : jusqu’à 138 bar (capteur étalonné à 3 fois l’étendue de mesure).

Une autre application typique est la caractérisation de combinaisons de protection pour le déminage. Deux des contraintes sont de pouvoir mesurer la surpression générée entre la combinaison et le mannequin, et d’observer la décroissance de la pression dans le temps. La solution recommandée par PCB Piezotronics est le capteur piézorésistif Endevco 8515C, grâce aux avantages suivants :

■ Capteur miniature, plat (1 mm d’épaisseur) ;
■ Réponse basse fréquence, du continu jusqu’à plus de 100 kHz ;
■ Étendue de mesure : jusqu’à 3,5 bar.