Un enregistreur de données portable mesure l’état des grains de sable après une explosion

Les balles ne peuvent pas pénétrer des sacs de sable, mais dans le cas d’un souffle la compréhension du comportement des matériaux granulaires comme le sable et de la capacité d’absorption d'énergie est essentielle pour concevoir une meilleure tenue de protection des soldats. Pour cela et dans le cadre d’un projet « Simulations et Modélisation d’un souffle au sol », commandité par le MURI (Office of Naval Research’s Multidisciplinary University Research Initiative), des centaines d'expériences exécutées en laboratoire à l'aide d'un enregistreur de données portatif ont permis de déterminer le comportement mécanique des grains de sable glissant les uns contre les autres après des explosions.

La meilleure façon de comprendre ce comportement mécanique a été d’étudier les émissions acoustiques (EA) du sable durant un souffle. Une EA est la libération rapide d’une énergie stockée, sous forme d’ondes élastiques extrêmement courtes et à haute fréquence. Dans ce cas précis, le frottement de glissement et le roulement des grains entre eux représentent les sources EA. Les émissions acoustiques transcrivent des informations en temps réel sur l'emplacement, l'intensité et les mécanismes de déformation se produisant dans un matériau.

Les images ci-dessus, réalisées avec un appareil-photo Cordin 550-62 représentent un sable de densité initiale de 1.58 g/cm3. L'image de gauche montre l'échantillon de sable avant l’impact et l'image de droite montre l'échantillon de sable sous l'

Corrélation entre transitoires EA et déformations des grains

Ci-dessus, le relevé montre le signal d'entrée de la barre d'incident, le signal de sortie de la barre de transmission et la contrainte circulaire sur le tube de saphir

Dans nos expériences, nous avons acquis les données EA à l'aide du système de mesure Genesis HighSpeed de HBM Inc. La société propose de nombreuses solutions dans le domaine des essais et de la mesure, à savoir des capteurs, des jauges de contrainte, des amplificateurs, des enregistreurs de signaux et des systèmes d’acquisition de données (DAQ), mais aussi des logiciels de mesure pour les analyses structurelles et de durabilité.

Tout d’abord, nous avons placé le sable dans un cylindre creux et positionné un capteur d'émission acoustique (un dispositif piézoélectrique qui transforme l’onde en un signal électrique) en périphérie du matériau. Le capteur EA a été raccordé à un amplificateur de charge, qui délivrait une tension de sortie vers le Genesis HighSpeed.

Pour reproduire les forces d’un souffle, nous avons utilisé une tige cylindrique pour pousser le sable et appliquer la compression. La pression appliquée a déformé les grains de sable jusqu'à ce que quelques grains soient réellement altérés. La manifestation d’EA qui était des particules submicroniques, provoque des signaux avec des fréquences se situant dans la gamme de 10 kHz à plusieurs MHz.

Nous avons également comprimé l'extérieur du cylindre et nous avons utilisé une jauge de contrainte raccordée à l’enregistreur pour mesurer la déformation latérale en tant que données complémentaires des EA. Nous avons câblé la jauge de contrainte en pont de Wheatstone sur le Genesis et nous l’avons alimenté en 10V. Le signal a été amplifié par un amplificateur de signal. La tension de l'amplificateur de signal a été convertie par le Genesis vie un autre circuit. Même avec un taux d’échantillonnage très élevé de 10 Méch/s, les mesures sur l’enregistreur était précises et d'une grande résolution. Les 10 amplificateurs-conditionneurs de signaux constituant l’enregistreur ont également aidé à obtenir des données de qualité.

Ensuite, nous avons corrélé les transitoires EA transmises par le Genesis avec la déformation des grains de sable et le nombre de grains de sable qui ont été détériorés. Les événements démontrés avaient deux signatures entièrement différentes. Les grains de sable glissant les uns contre les autres ont généré une onde basse fréquence et un bruit de faible amplitude alors que la rupture des grains occasionnait une onde haute fréquence et une onde acoustique d'amplitude élevée.

Traitement des signaux

Le traitement des signaux, comme le calcul de l'énergie d’une émission acoustique, délivre des informations importantes sur les processus et mécanismes de déformation. Dans ce cas, nous avons écrit un code spécial pour capturer les données, sauvegarder les données sur USB et puis nous l'avons fait tourné sur un ordinateur avec un logiciel mathématique pour compter le nombre de grains brisés. Cette information, nous a aidés à déterminer l'importance du souffle. Fondamentalement, les données EA signalant des fréquences et des ruptures de particules de sable, nous indiquent ce qu'un peu de sable peut donner lors d’un souffle.

L'enregistreur Genesis, à la différence d'autres systèmes, est une électronique intégrée qui n'exige aucun ordinateur externe. Le système pèse seulement 11kg, ce qui facilite son transport comparativement aux autres appareils. Et bien que le système soit petit, il autorise jusqu'à 96 entrées entièrement configurables. Une grande aisance et une interface utilisateur intuitive permettent de choisir très facilement le mode de fonctionnement entre un enregistrement continu ou des enregistrements sur déclenchement.

Notre équipe a fourni les informations recueillies à une autre équipe responsable du projet. Cette équipe a alors utilisé les données pour simuler des explosions sur ordinateur de manière à mieux comprendre comment le souffle interagit avec le sable et comment les ondes se propagent à distance pour le cas où elles heurteraient des soldats ou des véhicules. Les résultats donnés par le Genesis s'avèrent très utiles aux ingénieurs d'étude pour développer une protection plus efficace des militaires.

Auteur de l'article

Hongbing Lu
Professor & Associate Department Head for Graduate Program
Louis A. Beecherl Jr. Chair
Department of Mechanical Engineering
The University of Texas at Dallas

Le client

Université du Texas à Dallas

Department of Mechanical Engineering

Problème:

Un projet commandité par le Bureau de la Recherche Navale qui voulait comprendre le comportement du sable et de sa capacité d’absorption d'énergie pendant un souffle dans le but d’améliorer la conception de tenues de protection militaires.

Solution:

Les ingénieurs ont employé un système DAQ - Genesis équipé d'un capteur d'émission acoustique pour rassembler des données qu'ils ont ensuite corrélées avec la déformation des grains de sable et le nombre de grains de sable brisés.

Bienfait:

L’information recueillie aide les ingénieurs à la conception d'une meilleure protection des soldats et des véhicules militaires.

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