Un démonstrateur à visée pédagogique
Le démonstrateur pédagogique « Signal et Ondes gravitationnelles » élaboré dans le cadre dans le cadre de l’ANR Ricochet par Nicolas LE BIHAN et Pierre GRANJON est conçu pour illustrer les concepts de « mesure de vibrations » et de « traitement des signaux vibratoires ». Il permet de générer des vibrations se propageant dans une toile en lycra, de les mesurer à l’aide de capteurs puis d’en analyser les signaux.
Il est notamment possible de faire des analogies entre les ondes membranaires produites et les ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de systèmes binaires de trous noirs coalescents. Cette analogie fournit un support pédagogique pour introduire plusieurs notions fondamentales du traitement du signal.
La conception technique du démonstrateur « Signal et Ondes Gravitationnelles » a été réalisée par le service mécatronique du Pôle technique du laboratoire GIPSA-lab.
Une conception mécanique rigoureuse
La réalisation de la partie mécanique a été confiée à Rémy Jaccaz, qui a mené le projet en plusieurs phases structurées.
La première étape a consisté à élaborer le mécanisme global du système, suivi d’une modélisation tridimensionnelle à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur. Cette modélisation a permis d’anticiper le comportement des pièces et d’optimiser l’architecture du dispositif.
Une seconde phase de validation numérique a ensuite permis de vérifier le bon fonctionnement de l’assemblage, notamment le mécanisme de pliage destiné à faciliter le transport.
Après cette validation, une nomenclature complète des composants a été établie afin de lancer les commandes. Pendant l’attente des pièces, les fichiers nécessaires à la fabrication assistée par ordinateur ont été préparés pour l’usinage sur fraiseuse numérique.
La fabrication proprement dite a mobilisé plusieurs techniques : fraisage, tournage, découpe, perçage et impression 3D. Enfin, l’assemblage final a été réalisé, suivi d’une série de tests destinés à garantir que le système fonctionne conformément aux attentes avant sa livraison.
Une chaîne d’acquisition électronique performante
La partie électronique, développée par Sylvain Geranton et Elfrich Gonzalez Arevalo, vise à obtenir une mesure précise et rapide des vibrations.
Dans un premier temps, l’architecture proposée initialement a été étudiée et optimisée afin d’améliorer la qualité de l’acquisition. Les concepteurs ont retenu l’utilisation d’un capteur piézoélectrique couplé à une interface capable de transmettre les données vers une application temps réel sur ordinateur.
Le cœur du système repose sur un amplificateur d’instrumentation à gain réglable. Celui-ci amplifie le signal issu du capteur avant son passage dans un convertisseur analogique-numérique. Cette étape est essentielle : elle permet de transformer le signal analogique en données exploitables par le microcontrôleur et l’ordinateur, sans perte d’information ni latence perceptible.
Deux prototypes ont été réalisés et testés avec succès. Une fois validé, le module électronique a été intégré au dispositif mécanique. Le microcontrôleur a été programmé pour effectuer des acquisitions à une fréquence de 500 Hz, ce qui assure un suivi fin des vibrations. Les données échantillonnées sont ensuite transmises via une liaison USB vers le PC.
Une interface graphique pour visualiser et exploiter les données
Le système s’accompagne d’une interface graphique permettant d’observer les déformations mécaniques en temps réel.
Le premier objectif est la visualisation instantanée des vibrations sous forme de courbes. Un premier champ d’affichage présente le signal en fonction du temps (en secondes), tandis qu’un second conserve l’historique des mesures pour analyser l’évolution du phénomène.
Le second objectif consiste à enregistrer les données en temps réel afin de permettre leur exploitation ultérieure : analyse fréquentielle, filtrage, comparaison d’expériences ou encore travaux pédagogiques.
L’interface a été créée en Qt5 Designer, les actions (« events » en Anglais) de l’interface graphique ont été codées en Python et PyQt. L’outil Pyuic5, a permis le passage de l’interface en Qt5 (C++) vers du code en Python. Cette interface utilise le protocole USB vers RS-232 pour la transmission des données. Les outils de développement ont été Visual Studio Code 1.110.0, PyQt5, Qt5 Designer et Python 3.13.12.
Un outil scientifique accessible et reproductible
Ce démonstrateur a été pensé dans une logique d’accessibilité et de reproductibilité. Son coût limité, sa transportabilité et la disponibilité des solutions techniques employées favorisent sa reproduction par d’autres établissements ou équipes pédagogiques.
En réunissant mécanique, électronique, informatique, physique et traitement du signal, ce dispositif constitue un exemple remarquable d’approche pluridisciplinaire. Il permet non seulement d’illustrer concrètement des concepts abstraits, mais aussi de susciter la curiosité scientifique — de la vibration d’une membrane aux collisions titanesques de trous noirs dans l’Univers.
