Tomographie passive des ondes acoustiques

La dégradation au cours du temps des constructions en génie civil, en aéronautique, ou en secteur automobile est un problème majeur pouvant causer des accidents graves. Cette dégradation, qu’elle soit liée aux propriétés mécaniques, physiques ou chimiques du matériau a plusieurs origines (intérieures et extérieures), et il est indispensable de pouvoir contrôler les structures en continu afin d’en assurer la sécurité. Le Contrôle et l’Evaluation Non Destructive (CND/END) interviennent à plusieurs niveaux dans le processus de suivi de ces structures . On peut également parler de deux types de contrôle, liés à la nature de l’excitation, le contrôle actif et le contrôle passif. Le CND est souvent de type actif. En effet, la structure est excitée en envoyant des signaux connus, et on observe à la réception une déformation de ces derniers en présence de défaut. Mais il existe également un autre type de contrôle connu sous le nom de Contrôle de Santé Intégré (CSI ou SHM pour Structural Health Monitoring en anglais), qui est souvent de type passif. La source consiste en un bruit ambiant ou vibrations ambiantes, elle est non contrôlée par l’opérateur, seule la réception des signaux est gérée. En géophysique par exemple, on relève les sismogrammes qui peuvent révéler les propriétés des couches terrestres traversées par les signaux sismiques naturels [5] en mode passif. En mode actif, ces signaux sismiques sont remplacées par de la dynamite [6] , et ceci nécessite une dépense supplémentaire en terme d’énergie. En génie civil, les méthodes de contrôle initialement actives, utilisent désormais les vibrations ambiantes (vent, pluie, vagues, trafic routier, trafic ferroviaire, activité humaine, …) pour obtenir des informations sur la structure. Ces techniques, dites de SHM passif, sont généralement basées sur une instrumentation déployée en surface [7] , elle peut être également enfouie.

C’est dans le cadre de SHM en mode passif que se situe cette thèse de doctorat. L’objectif est l’identification des défauts, par l’analyse et le traitement des signaux vibro-acoustiques captés avec une instrumentation en surface. La source sollicitant la structure consiste en un bruit ambiant, ce bruit jouant ainsi le rôle d’une excitation naturelle passive. Afin d’extraire les informations nécessaires à l’identification des défauts, des techniques de corrélation de signaux seront employées. En effet, de nombreuses études, dans des domaines d’application aussi variés que les sous marins acoustiques [8] et la sismologie [9] , ont montré le potentiel de ces techniques pour l’exploitation du bruit ambiant naturel présent dans un milieu [10] . En particulier, les structures aéronautiques sont de bonnes candidates pour une telle application, car elles sont soumises à d’intenses sources de bruit acoustique pendant les vols.

On s’intéresse aux techniques de corrélations pour le contrôle de santé intégré en mode passif. Le premier chapitre de cette thèse consiste en un état de l’art sur les techniques existantes de CND et de SHM, en particulier les techniques de corrélations. Le deuxième chapitre décrit une expérience préliminaire sur une plaque en aluminium, cette expérience sert à vérifier la reproductibilité des fonctions d’inter-corrélation ainsi que leurs sensibilités à l’apparition des défauts. Un marteau d’impact a été utilisé pour exciter la plaque, il s’agit d’une source localisée en temps et en espace et dont l’intensité était non contrôlée et non prédictible. Une méthode d’identification de défaut se basant sur les inter-corrélations entre les différents récepteurs est proposée et testée sur cette plaque. Le troisième chapitre décrit une autre expérience sur une plaque utilisant cette fois une source non localisée en espace. Les étapes de la méthode d’identification proposée sont paramétrées en utilisant un sinus comme signal source. Une fois vérifiée, la méthode est testée dans la seconde partie en utilisant un bruit large bande comme signal source.

Vue d’ensemble sur le CND et le SHM

Les méthodes de contrôle traditionnelles sont généralement destructives. L’étude des caractéristiques des matériaux est souvent effectuée sous différentes sollicitations, sous des essais de mises en charge successives par exemple [11] ou des essais de flexion [12] . L’essai de traction est un outil expérimental bien adapté à la surveillance des processus de rupture [13] . Ces types de contrôle sont intéressants pour l’industrie de fabrication des pièces par exemple, ainsi le constructeur peut fixer les caractéristiques de cette dernière comme la résistance à la rupture. Néanmoins ces méthodes ne peuvent pas être utilisées pour vérifier les caractéristiques d’une pièce en cours de son utilisation sans la détruire, d’où l’intérêt des techniques de Contrôle Non Destructif (CND). Il s’agit d’un ensemble de méthodes permettant d’ausculter l’intégrité d’une structure sans la détruire. Ces techniques permettent de détecter des défauts en cours de production de la structure ou en cours de son utilisation en effectuant des inspections périodiques. La structure est généralement mise hors service afin d’effectuer le contrôle et d’en vérifier la qualité en détectant les défauts mais également en déterminant les caractéristiques de ce dernier (position, forme, dimension…).

L’inconvénient est que ces méthodes immobilisent la structure et nécessitent des planifications d’interventions, en particulier dans le cas des structures aéronautiques, qui demandent des contrôles assez fréquents en fonction du nombre de vols effectués. Ces opérations de contrôle sont très couteuses. En outre, il arrive parfois qu’un dégât surgisse entre deux inspections, pouvant engendrer des coûts importants qui auraient pu être évités si le dégât avait été identifié en temps réel. Le Structural Health Monitoring (SHM), ou contrôle de santé intégré (CSI), consiste à surveiller en temps réel l’intégrité d’une structure afin de détecter des anomalies. Les techniques de SHM sont principalement issues de celles du CND. Le principe est de contrôler la structure permettant ainsi d’identifier le défaut et parfois même de le localiser et de le caractériser à l’aide de capteurs et d’appareils d’instrumentation généralement déployés en surface. Lors d’une détection de dommage, une alarme est déclenchée [14] . En géophysique, les travaux de M.Carmona ont permis d’illustrer quelque unes des possibilités offertes par une instrumentation qui serait enfouie [7] .

Quelques méthodes de CND et/ou SHM

Les méthodes de contrôle non destructif les plus couramment employées peuvent être classées en deux familles principales en fonction du type d’anomalie recherchée dans la structure; les méthodes de surfaces et les méthodes de volume. On distingue d’une part les méthodes de surface, comme la magnétoscopie, les courants de Foucault [16] (pour les matériaux conducteurs de l’électricité), le contrôle d’étanchéité (détection de fuites dans des canalisations en utilisant un gaz traceur) et des méthodes optiques comme l’interférométrie holographique et l’interférométrie de Speckle. Parmi les méthodes de surfaces on peut aussi citer le ressuage [17] , il s’agit d’une technique d’évaluation pour les matériaux non absorbants pour la détection des fissures, un liquide d’imprégnation appelé « pénétrant » est appliqué sur la surface d’une pièce, ce liquide pénètre dans les discontinuités ou fissures présentes sur la pièce, ensuite un autre liquide dit « révélateur » est appliqué, ainsi les discontinuités deviennent visibles. D’autre part on distingue les méthodes volumétriques pour la détection d’anomalies au sein du matériau, comme les techniques d’inspection par ultrasons émis au moyen de capteurs (fonctionnant le plus souvent par effet piézoélectrique), notons que ces techniques peuvent également être utilisées pour la détection des défauts en surface. La méthode la plus connue est l’échographie, cette méthode est souvent utilisée pour des applications médicales (imagerie des calculs, des tumeurs ou des bébés…), notons également la méthode d’impact écho [18] . En génie civil on peut depuis longtemps mesurer des épaisseurs par temps de vol, méthode connue sous le nom de TOFD (time of flight diffraction) [19] . Citons également les techniques d’émission acoustique EA, les ondes élastiques générées à partir d’une source peuvent être mesurées et traitées en utilisant des techniques d’analyse et de traitement de signal. Cette méthode consiste à analyser la propagation d’ondes mécaniques de haute fréquence au sein du matériau. L’intérêt des techniques de mesure par EA réside en sa capacité à surveiller les dommages microscopiques survenant à l’intérieur du matériau. Néanmoins, elles ne peuvent pas être utilisées pour quantifier ou caractériser ces derniers.

Outre les ultrasons, on peut citer la méthode des rayonnements ionisants connue également sous le nom de radiographie [20] , elle consiste à émettre un rayonnement (Rayon X ou gamma) par une source qui traverse la pièce et interagit avec celle-ci avant d’être recueilli par un dispositif détecteur [21] . Il existe également d’autres méthodes globales comme la thermographie [22] , méthode qui consiste à solliciter une structure par un flux thermique et à observer les anomalies dues à l’interruption de la chaleur (donc à un écart de température sur une image thermique de la surface opposée).

Méthodes d’impédances

Les capteurs piézo-électriques PZT ont la capacité de produire une charge électrique quand ils sont soumis à une charge mécanique. Inversement, ils peuvent également produire des vibrations mécaniques quand ils sont soumis à un champ électrique. La technique d’impédance pour le SHM utilise ces deux propriétés des PZTs pour la détection des dommages locaux, en effet les capteurs sont excités avec un signal électrique faible, donnant ainsi naissance à une excitation mécanique de très haute fréquence qui peut atteindre les 40 kHz (selon le capteur et le signal électrique) [23] . L’impédance électrique du PZT est couplée à l’impédance mécanique de la structure auscultée. Par conséquent, les changements éventuels de la structure peuvent être identifiés simplement en contrôlant la variation des signaux d’impédance mesurés par les PZTs [24] . Il s’agit donc plutôt d’une méthode active.

Cette technique peu couteuse et simple à mettre en œuvre peut être appliquée à des structures complexes [25] et permet de détecter les défauts les plus petits. Elle a été testée dans le domaine du génie civil pour l’identification des défauts d’étanchéité dans des murs en béton armé [26] . Elle peut être utilisée dans le cadre d’un contrôle en temps réel. Cependant, il a été montré qu’un signal d’impédance peut également être modifié par d’autres variations ambiantes telles que les changements de température, ce qui l’expose aux fausses alarmes dues à ces variations [27, 28] . Plusieurs études ont été réalisées pour compenser l’effet du changement de température en contrôlant la bande fréquentielle d’excitation .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Présentation générale et état de l’art
Introduction
1. Vue d’ensemble sur le CND et le SHM
2. Quelques méthodes de CND et/ou SHM
2.1. Méthodes d’impédances
2.2. Méthodes fréquentielles
2.3. Ondes guidées, ondes de Lamb
3. Intérêt des techniques SHM en mode passif
4. Les techniques de corrélation pour SHM passif
4.1. Relation entre fonction de Green et fonction d’inter-corrélation
4.2. État de l’art sur les études expérimentales des techniques de corrélations
4.3. Bruit ambiant et bruit blanc
5. Etude théorique
6. Contexte des travaux de thèse
Chapitre 2 : Expérience avec une source localisée
Introduction
1. Description de l’expérience
1.1. Propriétés de la plaque
1.2. Caractéristiques de la source
1.3. Différents types d’ondes ultrasonores dans une plaque
1.4. Caractéristiques des capteurs
2. Traitement des signaux
2.1. Proposition d’un critère visuel : Enveloppe par transformée de Hilbert
2.2. Proposition d’un critère numérique
3. Résultats et discussions
3.1. Reproductibilité du critère visuel d’identification
3.2. Sensibilité des critères aux changements de la position de la source
3.3. Sensibilité des critères au défaut
Conclusion
Chapitre 3 : Expérience avec une source non localisée
Introduction
1. Description du dispositif expérimental
2. Optimisation de la méthode avec une source mono fréquence
2.1. Objectifs de l’étude
2.2. Sensibilité du CEI à la fréquence d’excitation
2.3. La normalisation des fonctions d’inter-corrélation
2.4. Méthode de calcul du CEI
2.5. Description de la source large bande
2.6. Nombre d’échantillons par acquisition
2.7. Nombre d’acquisitions par mesure
2.8. Vérification de la reproductibilité des enveloppes
2.9. Synthèse de la méthode d’identification
3. Évaluation de l’efficacité de la méthode avec une source type bruit
3.1. Sensibilité au défaut
3.2. Sensibilité du CEI à la position du défaut
4. Recherche de la position optimale des capteurs
4.1. Sensibilité des CEI à la distance entre capteurs
4.2. Sensibilité à la position et à l’orientation des capteurs
5. Sensibilité des CEI à la bande fréquentielle de la source
6. Vérification de la symétrie des résultats
Conclusion 

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