Acteurs : LAUM, IFSTTAR, IMMM

Acoustique Non Linéaire et champ ultrasonore diffus

L’application des méthodes acoustiques non linéaires pour l’ECND des matériaux dans l’industrie apparaît aujourd’hui comme une technique extrêmement prometteuse en termes de détection et de caractérisation d’endommagement. Les secteurs du génie civil, de l’aéronautique et aussi du nucléaire voient le développement de cette nouvelle méthode comme un moyen de localiser et de dimensionner des défauts non observables par des méthodes acoustiques linéaires. Ils y voient également la possibilité de détecter des changements structuraux de manière précoce et ainsi accroître la fiabilité et la sûreté de fonctionnement des structures et installations. L’originalité de notre approche consiste à envisager cette méthode innovante d’ECND dans une perspective de contrôle de santé intégré et l'imagerie de paramètres intrinsèques non linéaires. Nous proposons d’explorer les potentialités de cette approche pour le diagnostic et l'imagerie de l’endommagement diffus et/ou localisé, à partir des effets d'acoustique non linéaire observés très récemment. Parmi ceux-ci, il faut citer les méthodes en relation avec l'absorption non linéaire (effet Luxembourg-Gorky, résonances non linéaires ou méthode de transfert de modulation), et ceux en relation avec les processus acoustiques non linéaires comportant des effets de seuil (par exemple, excitation des sous-harmoniques et effets de l'hystérésis dynamique). Ces méthodes nécessitent de développer des théories relatives à ces nouveaux phénomènes d'acoustique non linéaire, qui permettent de prendre en compte les paramètres physiques pertinents décrivant le comportement des fissures et des défauts. D'autres processus non linéaires et non classiques (tels la démodulation paramétrique) sont également envisagés. Les matériaux objet de ce projet sont des matériaux hétérogènes (composites, béton, matériaux granulaires,…). Dans cet axe l'utilisation du champs diffus (CODA) sera mise à profit pour suivre des endommagements précoces et détecter des défauts/caractéristiques invisibles aux méthodes ultrasonores linéaires (imagerie de fissures fermées). Un autre verrou est le passage sur site de ces techniques notamment quand les paramètres environnementaux ne peuvent être contrôlés et pour lequel des dispositifs expérimentaux innovants restent à développer et tester.

L’un des défis majeurs liés aux méthodes acoustiques non-linéaires est aussi d’établir un lien entre les endommagements créés au sein des différentes structures et les valeurs des paramètres acoustiques non-linéaires. En effet, les valeurs de ces mêmes paramètres peuvent évoluer de plusieurs ordres de grandeurs dans le cas d’un matériau microfissuré, par exemple. Cependant, il est indispensable d’aller au-delà de ces valeurs, certes sensibles à l’endommagement, en établissant un lien entre les paramètres non-linéaires et le type de défaut tout en étudiant les possibilités d’estimation du potentiel de vie restant des matériaux et structures étudiés.

Dans un premiers temps, il est indispensable d’identifier le mécanisme physique à l’origine des mesures acoustiques non-linéaires. Cela peut se faire à travers la vérification de l’existence de certaines lois physiques, telle que l’évolution en loi de puissance, et ce pour différents types d’indicateurs non-linéaires (quadratique, cubique, etc.). Le développement d’une telle méthode permet de répondre à des problématiques industrielles concrètes. En effet, les mesures acoustiques linéaires peuvent très bien identifier certaines anomalies, tel qu’un changement de phase dans les aciers par exemple. Cependant, cette même mesure est incapable de dire s’il s’agit réellement d’une fissure ou d’un changement de phase (qui représente en soi un défaut “bénin“). L’identification du ou des mécanismes dynamiques mis en jeu permet de mieux comprendre la physique de cette zone “critique“ et d’aller au-delà des mesures linéaires.

Par ailleurs, il est également important de vérifier l’évolution des indicateurs non-linéaires en fonction de la déformation dynamique. Ces mesures, appelées “essais acoustoélastiques dynamiques“ représentent un moyen très intéressant permettant de savoir si les paramètres non-linéaires étudiés dépendent réellement de la déformation dynamique et de quelle façon. Ainsi, il nous sera possible d’améliorer les modèles physiques de façon à nous rapprocher au mieux du comportement réel des micro-fissures et ce pour une meilleure compréhension des observations expérimentales.

L'Émission Acoustique

L’approche susmentionnée peut être appuyée à l’aide d’une méthode telle que l’Émission Acoustique. En effet, selon la structure étudiée et le type de défaut recherché, les mécanismes physiques majeurs sont divers (slip/stick , clapping, adhesion, etc.) de façon à émettre différentes signatures acoustiques, d’où l’importance de les “d’écouter“. A travers cette approche passive, nous proposons d’identifier le mécanisme non-linéaire mis en jeu lorsque la structure ou le matériau est mis en vibration. D’un autre côté, elle permet de quantifier les énergies mises en jeu lors de la création des différents endommagements. Il devient ainsi possible d’établir un lien entre ces énergies et les différents mécanismes non-linéaires de façon à identifier ceux qui interviennent réellement dans la réduction de la durée de vie des matériaux et structures étudiées.

Ondes de surface et ondes de Lamb (ZGV - Zero Group Velocity)

ultrason laser

Les méthodes de contrôle non destructif par ultrasons laser font parties des nouvelles générations de techniques visant à contrôler la qualité de grandes structures. Aujourd’hui, des dispositifs industriels tels que LUIS (Dassault et EADS) et LUCIE (Airbus Group) permettent ainsi de contrôler la qualité de structures aéronautiques de grandes tailles avec potentiellement un gain de productivité et une baisse des coûts. Dans ces systèmes, le principe de l’inspection repose principalement sur la génération et la détection d’ondes élastiques de volume se propageant dans l’épaisseur de l’échantillon et interagissant avec les défauts potentiels. À plus hautes fréquences, on peut de même répondre aux problématiques suivantes :

- Détermination des propriétés viscoélastiques des matériaux par ultrasons GHz,

^- Détection des fissures nanométrique par imagerie opto-acoustique,

- Caractérisation de l’adhésion de couches minces,

- Identification des mécanismes d’endommagement des matériaux par onde de choc.

La détection de défauts plus petits que la longueur d’onde acoustique (quelques centaines de micromètres en ultrasons laser) est difficile avec une méthode linéaire classique. Pour améliorer la détection des petits défauts, une méthode linéaire basée sur la génération et la détection tout optique de modes guidés à vitesse de groupe nulle (ZGV, pour Zero Group Velocity) est proposée. Depuis une dizaine d’année, les modes ZGV sont analysés en ultrasons laser pour la mesure locale et très précise de propriétés mécaniques de matériaux isotropes ou anisotropes. Les modes ZGV correspondent à des résonances locales de la structure inspectée, résonances qui peuvent résulter d’un couplage entre différentes couches d’un assemblage. Contrairement aux résonances d’épaisseur, qui sollicitent les interfaces uniquement en élongation ou en cisaillement, les modes ZGV correspondent à une sollicitation mixte de l’interface. De plus, les résonances ZGV dépendent finement de la qualité du couplage entre les couches. Ces modes sont donc d’excellents candidats pour détecter des défauts d’assemblage bien plus petits en épaisseur que leur longueur d’onde centimétrique.

Ultrason basses fréquences avec et sans contact

La méthode ZGV est aussi utilisée à des fréquences de quelques Hz à quelques dizaines de kHz pour détecter des défauts de types vide/fissure (rupture d'impédance mécanique) dans des structures de dimensions décimétriques à centimétriques mais aussi pour remonter à des informations fiables sur les propriétés des matériaux en petite déformation (coefficient de Poisson, amortissement). A cette échelle les travaux visent à tirer profit de mesures multi-composantes et à coupler expérimentation et modélisation pour mettre au point des dispositifs expérimentaux optimaux, rechercher des observables sensibles et in fine développer des algorithmes inverses robustes.

En parallèle, des travaux sur les ondes de surface dans les milieux très hétérogènes sont réalisés pour remonter à des gradients de propriétés dans la matrice à partir de mesure depuis la surface. Les développements récents concernent tant des développement instrumentaux (développements de sondes multi-capteurs en contact sec pour des mesures in situ à grand rendement pour le génie civil) que des modélisations numérique et physiques, sur des matériaux modèles.

Imagerie ultrasonore

Au cours de la dernière décennie, l’imagerie acoustique a connu de grandes avancées en s’orientant vers les bancs d’imagerie à couplage aérien. En effet, pour s’affranchir de l’utilisation de couplant qui peut être gênant dans le cas de structures métalliques par exemple (eau dans les cuves à immersion ou gel pour les sondes échographiques), plusieurs composants des systèmes classiques d’imagerie acoustique ont été repensés pour être adaptés à une mesure sans contact. Le système d’imagerie à couplage aérien au LAUM permet la mesure d’épaisseur et du module élastique hors plan. Le système d’imagerie utilisé est évolutif et plusieurs méthodes acoustiques ont été implémentées pour couvrir des champs d’application variés. Par exemple, la tomographie utlrasonore constitue une évolution importante qui permettrait d'établir une cartographie tridimensionnelle des pièces et défauts.