Le principe de mesure de la vibrométrie laser
La lumière rétrodiffusée par un objet en mouvement subit un changement de fréquence en fonction de la vitesse (effet Doppler). Un interféromètre permet de mesurer ce décalage de fréquence avec une grande précision afin d’en extraire des informations sur les vibrations.
Effet Doppler
Lorsque des ondes sont émises par une source qui se rapproche (ou s’éloigne), des crêtes d'ondes successives parviennent au récepteur à des intervalles de temps plus courts (ou plus longs) que ceux auxquels elles sont émises. Ce phénomène, considéré comme un changement de fréquence, est appelé « Effet Doppler ». Au niveau acoustique, cela se traduit par exemple par un changement évident de la hauteur du son de la sirène au passage d'une ambulance. Pour les applications vibrométriques pratiques, le décalage de fréquence Δfc mesuré d'un laser à la longueur d’onde λc est, avec une très bonne approximation, proportionnelle à la vitesse v,
Δfc = 2 v/λc
Vibrométrie
Le décalage de fréquence déterminé permet ainsi d’identifier la vitesse v(t) de la surface depuis laquelle la lumière laser est rétrodiffusée. Il permet également d’en déduire le déplacement d(t) et l’accélération a(t). Dans le cas d'une oscillation harmonique avec la fréquence f et le déplacement d(t) = D sin(2π f t), les amplitudes D, V et A du déplacement, de la vitesse et de l'accélération sont liées entre elles, selon la formule :
A = 2π f V = 4π² f² D .
Interféromètre
Un interféromètre Mach-Zehnder permet de convertir les changements de fréquence en une courbe de luminosité dont la plage de fréquence est accessible pour un traitement électronique ultérieur. Dans l’interféromètre, un séparateur de faisceau divise le faisceau laser pour créer un faisceau de référence et un faisceau de mesure. La lumière réfléchie par l’objet de mesure est à son tour superposée au faisceau de référence. L’intensité mesurée dans un photodétecteur inclut non seulement la somme des intensités respectives du faisceau de référence, Ic, et de la lumière réfléchie, Iv, mais également une composante qui dépend de la différence de longueur du chemin optique Δz des deux faisceaux,
I(t) = Ic + Iv + 2 (Ic Iv)1/2 cos (2 π Δz(t)/λ) .
Principe de mesure hétérodyne
La variation de l’intensité provoquée par le mouvement de l’objet mesuré n’est en rien liée au fait que ce dernier se rapproche ou s'éloigne de l'appareil de mesure. Un procédé hétérodyne permet de balayer cette ambiguïté, en décalant la fréquence du faisceau de référence d'une valeur fixe fb à l'aide d'un coupleur acousto-optique. L'interférence des deux faisceaux génère, lorsque l’objet mesuré est immobile, une courbe de luminosité avec une fréquence fb correspondant à la différence entre le faisceau de référence et le faisceau de mesure.
Ce signal porteur ∝ cos (2 π fb) est modulé lorsque l’objet mesuré est en mouvement. En fonction de la direction du mouvement, la fréquence des variations de luminosité claire/obscure évolue vers des fréquences plus ou moins grandes.
La démodulation de la courbe d'intensité permet d'obtenir des informations sur le mouvement de l’objet mesuré. Après la conversion en signal numérique, le déplacement et la vitesse de la surface de l’objet mesuré sont déterminés en temps réel grâce à un traitement du signal performant. Ainsi, la démodulation peut également être appliquée à la vitesse et au déplacement.
