Génération et détection optiques d’ondes guidées sur une pièce cylindrique

Depuis les années 1950, les ondes ultrasonores sont largement utilisées dans divers domaines afin de réaliser l’image d’une pièce (contrôle non destructif) ou du corps humain (échographie médicale), pour détecter la présence et évaluer un défaut ou une tumeur. La méthode dite ‘classique’ nécessite un contact entre le transducteur piézoélectrique et l’objet examiné par l’intermédiaire d’un couplant (eau ou gel). Ceci impose des contraintes expérimentales (immersion, non reproductibilité des mesures en présence de gel, limitation de la complexité de la surface inspectée en raison de la forme du transducteur). Des dispositifs tels que le transducteur électromagnéto acoustique ou la sonde capacitive sont apparus ; ils s’affranchissent du contact pour engendrer et détecter les ondes ultrasonores. Parallèlement, le développement des lasers impulsionnels dans les années soixante a permis d’élargir le domaine du contrôle ultrasonore sans contact mécanique.

Le processus de génération ultrasonore par une source laser impulsionnelle est fondé sur l’interaction d’un faisceau lumineux cohérent avec un matériau dans lequel on cherche à engendrer des ondes élastiques. La durée de l’impulsion laser est de l’ordre de quelques dizaines de nanosecondes. Cette durée d’impulsion induit une bande de fréquence à l’émission plus large qu’un transducteur classique. Cette impulsion échauffe la partie supérieure du matériau et entraîne localement une ‘mini explosion’ sismique par conversion de l’énergie thermique en énergie mécanique. En raison de ces propriétés, ce mode de génération ultrasonore permet, en plus de l’usage traditionnel, d’étudier des surfaces complexes (en forme et/ou en structure) et/ou à haute température à des distances de contrôle plus grandes que les autres systèmes sans contact et offre également un fort potentiel par rapport au milieu hostile ainsi qu’à la caractérisation des matériaux sans défaut.

Diverses méthodes de détection optique, i.e. sans contact mécanique, ont été développées : détection par déflexion, par diffraction, par interférométrie. C’est cette dernière que nous utiliserons dans nos expériences. Elle offre l’avantage de mesurer des déplacements de l’ordre de ceux engendrés par une source laser (quelques nanomètres en régime thermoélastique, le seul strictement non destructif), avec une bande passante large pouvant dépasser 30 MHz.

Sur la base de l’ensemble de ces constatations, Le CETIM, partenaire industriel de cette étude, a voulu tester cette méthode de contrôle ultrasonore sur des pièces ou des échantillons issus de la métallurgie. Nous cherchons principalement à détecter la présence d’un défaut à la surface de pièces de forme cylindrique et également à le quantifier. Deux phases de contrôle sont à distinguer lors du procédé d’usinage. La première phase, en amont, consiste à tester chaque section d’un barreau infiniment long contenant des microfissures (≋100 µm). Dans la seconde phase, on contrôle les pièces en fin d’usinage, les microfissures se sont alors développées pour atteindre une taille inférieure au millimètre. Si le contrôle est sensible dès la première phase à la présence du défaut, la dernière phase de contrôle devient quasiment inutile.

Génération d’ondes élastiques par effet photothermique

La génération d’ultrasons dans un solide résulte de l’interaction du faisceau lumineux avec la surface du matériau. La fraction d’énergie absorbée par celui-ci crée un échauffement agissant comme un champ de forces mécaniques qui donne naissance à des ondes élastiques [1].

Selon l’énergie lumineuse déposée, deux régimes sont à distinguer. Le régime thermoélastique, totalement non destructif, engendre des déplacements de faible amplitude. Le régime d’ablation apparaît au delà d’une certaine puissance lumineuse absorbée. Le seuil dépend des propriétés mécaniques et thermodynamiques du chaque matériau (15 MW/cm2 pour le duralumin) [2]. A chaque régime correspond des caractéristiques différentes pour l’émission des ondes de compression et de cisaillement [3]. Dans le cas des ondes de surface, la forme de la source permet de favoriser une direction privilégiée [4].

Régime thermoélastique 

Le régime thermoélastique ne modifie pas l’état de surface. La pression de radiation, l’électrostriction, la diffusion Brillouin et la dilatation thermoélastique participent à la génération de l’onde élastique [5]. Cette dernière apporte une contribution prépondérante à ce processus. L’énergie incidente est convertie par effet Joule en chaleur. En raison de l’effet d’écran des électrons de conduction, l’énergie absorbée reste localisée dans l’épaisseur de peau du métal (quelques nanomètres) ; cette énergie agit comme une source acoustique et crée une déformation mécanique localisée près de la surface. Le champ des contraintes mécaniques peut alors être représenté par deux dipôles de forces orthogonaux et parallèles à la surface qui engendrent des ondes de volume et des ondes de surface par conversion des ondes longitudinales et transversales à l’interface (figure 1). Ces ondes de surface ont une amplitude plus grande que les ondes de volume.

Propagation des ondes ultrasonores 

Connaissant les directions privilégiées de la propagation des ondes ultrasonores en champ lointain, nous pouvons à présent analyser le champ ultrasonore détecté en fonction de la configuration de contrôle. Il existe deux dispositifs de contrôle dont le choix de l’application dépend des propriétés géométriques de l’échantillon (accessibilité) et de la zone à inspecter (volume, surface). Chaque configuration induit un signal ultrasonore caractéristique de la propagation des différentes ondes engendrées dans le matériau en fonction du régime d’émission.

Contrôle en transmission

Le contrôle en transmission permet d’inspecter soit le volume de la plaque, soit la surface située du même côté que la détection. Dans la première configuration expérimentale, la détection est placée à l’épicentre par rapport à l’émission. Cette configuration est la plus courante, car elle est plus aisée à utiliser et, de plus le signal ultrasonore est plus facilement interprétable en raison des échos multiples et des conversions aux interfaces. Suivant l’épaisseur de la plaque, suivant le matériau utilisé, la propagation diffère. La figure 6 est un exemple, pris dans la littérature [4], de déplacement normal détecté à l’épicentre sur une plaque d’aluminium d’épaisseur 3 mm. Le signal comprend un pic positif de faible amplitude appelé précurseur dépendant de la conduction thermique ou de la pénétration optique [15]. Puis les différentes ondes détectées sont d’amplitude négative, elles représentent les différents trajets des ondes longitudinale et transversale dans la plaque et leur conversion au niveau des interfaces.

Plusieurs modèles analytiques ont été développés tout d’abord par Scruby [16] puis par Dewhurst [17] et enfin par Doyle [18] pour les matériaux métalliques homogènes et isotropes, et par la suite par différents auteurs pour des matériaux composites [19, 20] et pour les matériaux revêtus d’une couche fine [4]. Ces différents modèles sont en bon accord avec les signaux expérimentaux, ils permettent de comprendre la propagation des ondes ultrasonores dans différents matériaux et d’optimiser les configurations expérimentales à adopter.

Détection 

Dans la poursuite de notre cheminement, il apparaît que seule une détection optique offre également la propriété de contrôle du matériau sans contact mécanique à grande distance. La détection optique est moins sensible que le transducteur piézoélectrique [25], mais elle présente l’avantage de mesurer localement, et avec une large bande passante, le déplacement normal à la surface d’un échantillon. D’autres systèmes de détection sans contact mécanique existent tels que le transducteur électromagnéto-acoustique (EMAT), la sonde capacitive qui offrent une qualité de détection des petits déplacements moindre en comparaison de la sonde optique [26] et qui imposent des conditions expérimentales plus contraignantes (faible distance entre la sonde et la matériau).

Il existe différents dispositifs optiques [2,27] de détection basés soit sur la mesure du déphasage entraîné par le déplacement mécanique normal à la surface (interférométrie de déplacement) [28], soit sur la vitesse de déplacement de la surface (interférométrie de vitesse) [29]. Intéressons nous plus particulièrement à l’interférométrie hétérodyne (interférométrie de déplacement) qui est le système de détection utilisé lors des expériences.

Modélisation d’une onde de Rayleigh créée par une ligne source thermoélastique

Le modèle développé par Doyle [31] et basé sur les considérations de Rose [14] et de Berthelot [32] a déjà permis explique la génération et la propagation d’ondes de Rayleigh engendrée par une ligne source thermoélastique. Des expériences réalisées au laboratoire par Catherine Chenu sur une plaque d’aluminium montrent, en champ proche, la forme et l’amplitude de l’onde de Rayleigh ainsi que leur évolution en champ lointain [36]. Un formalisme nouveau introduit par Tobolka [33] et généralisé par Desbois et Boyer [34] fournit une nouvelle approche de la propagation des ondes de volume et de surface créée par un ligne source thermoélastique. Celui-ci décompose, sous forme matricielle, les différents phénomènes linéaires agissant lors de cette propagation.

Table des matières

Introduction
Chapitre I : état de l’art
I- Génération d’ondes élastiques par effet photothermique
I-1. Régime thermoélastique
I-2. Régime d’ablation
I-3. Diagrammes de directivité
I-3.1. Régime thermoélastique
I-3.2. Régime d’ablation
I-4. Propagation des ondes ultrasonores
I-4.1. Contrôle en transmission
I-4.2. Contrôle en réflexion
I-5. Forme de la source
II- Détection
II-1. Principe
II-2. Performances
III- Modélisation d’une onde de Rayleigh créée par une ligne source thermoélastique
III-1. Formalisme de la matrice mixte
III-2. Génération d’ondes de Rayleigh
III-3. Validation expérimentale
IV- Accroissement de l’efficacité
V- Interaction d’une onde de Rayleigh avec un défaut
V-1. Estimation de la profondeur en fonction du temps de vol
V-2. Estimation de la profondeur en fonction des coefficients de réflexion et de
transmission
VI- Pièces de forme cylindrique
VI-1. Propriétés
VI-2. Cylindre
VI-3. Tube
VII- Conclusion
Chapitre II : propagation sur un cylindre
I- Configuration expérimentale
I-1. Dispositif expérimental
I-2. Caractéristiques
II- Aspect temporel
II-1. Emission-détection à 90°
II-2. Emission-détection à 180°
II-3. Variation de l’amplitude et de l’énergie
II-4. Sensibilité du dispositif
II-4.1. Angle émission
II-4.2. Distance focale
II-4.3. Echantillon
II-4.4. Température
II-4.5. Influence du niveau de détection
II-5. Décomposition du signal
II-5.1. Degré de ressemblance des signaux
II-5.2. Influence du niveau de détection
III- Aspect fréquentiel
III-1. Spectre émis
III-2. Dispersion
III-2.1. Constatations expérimentales
III-2.2. Modélisation de l’onde de Rayleigh à partir du formalisme de la matrice mixte
III-3. Atténuation
III-4. Différences de diamètre entre les échantillons
III-4.1. Influence du positionnement émission /réception
III-4.2. Sélection du sens de propagation
IV- Simulation aux différences finies
IV-1. Calcul du déplacement normal à 90° et à 180°
IV-1.1.Influence du diamètre et du bruit de détection
IV-1.2.Déformation du signal en champ proche
IV-2. Analyse spectrale
V- Conclusion
Chapitre III : interaction avec un défaut
I- Aspect temporel
I-1. Configuration en présence d’un défaut
I-2. Propagation sur un tour
I-2.1. Analyse du signal
I-2.2. Positionnement du défaut vis-à-vis du système de contrôle
I-2.3. Variation de la profondeur
I-2.4. Coefficients de réflexion et de transmission
I-2.5. Configuration de contrôle 0-180°
I-2.6. Estimation de la profondeur par temps de vol
I-3. Propagation sur plusieurs tours
I-3.1. Evolution du signal à chaque tour
I-3.2. Fissures peu profondes
I-3.3. Description et modélisation de l’effet cumulatif
I-4. Méthode de mise en évidence : calcul du degré de ressemblance
I-4.1. Principe
I-4.2. Application aux pièces comportant des défauts
I-4.3. Influence des ondes réfléchies
I-4.4. Influence de la position du défaut
I-4.5. Influence de la configuration de contrôle
I-4.6. Diffuseur mobile
I-4.7. Interprétation
I-4.8. Reproductibilité
I-4.9. Influence du contenu fréquentiel
II- Aspect fréquentiel
II-1. Fréquence de coupure
II-1.1. Configuration 0-90°
II-1.2. Configuration 0-180°
II-2. Spectre de résonances
III- Etude de pièces industrielles
III-1. Contrôle de vis
III-2. Contrôle d’une pièce mécanique
IV- Conclusion
Chapitre IV : inspection d’un tube
I- Configuration sans contact mécanique
I-1. Détermination de l’épaisseur du tube au point de mesure
I-2. Propagation sur plusieurs tours : résonances
I-3. Inspection d’une zone endommagée
I-4. Simulation aux différences finies
II- Méthode Dort : immersion du tube
II-1. Description de la méthode DORT
II-2. Dispositif expérimental et BSCAN
II-3. Calcul des valeurs singulières
II-4. Repropagation et identification des modes
II-5. Défaut placé face à la barrette
III- Conclusion
Conclusion générale

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