Modélisation de la propagation et de la réception des ondes élastiques émises par un défaut sous contrainte

Principe général du contrôle non destructif par émission acoustique

Définition et historique

La norme française établie en avril 2000 définit l’émission acoustique (EA) comme étant des “ondes élastiques transitoires engendrées par la libération d’énergie dans un matériau ou par un processus” [1]. La technique d’EA est une méthode de contrôle non destructif (CND) passive, basée sur l’exploitation de signaux engendrés par un phénomène d’émission spontanée d’ondes ultrasonores par un matériau ou un système sous l’effet d’une sollicitation ou d’une transformation interne. Les premières expériences d’EA évoquées dans la littérature en géophysique datent de 1932, mais il a fallu attendre les années 1950 pour que les premiers travaux significatifs en sismologie soient effectués. C’est à cette même période que Mason [1] décrivait les premiers phénomènes d’EA audibles tandis que Kaiser s’intéressait pour sa part à un domaine plus haut en fréquence puisqu’il traitait le cas des fréquences ultrasonores (plus de 20kHz à quelques centaines de MHz) Ce domaine des hautes fréquences fut rapidement exploité puisque l’une des premières applications de l’EA à la détection d’endommagements reposait sur le contrôle des enveloppes de propulseur des fusées Polaris dans les années 1960. Très rapidement La localisation des sources d’EA fut étudiée à partir de 1968. Puis cette technique prit de l’ampleur dans les années 1980. Elle s’est alors étendue à de nombreux domaines, comme l’énergie nucléaire, le secteur pétrolier et gazier, le génie civil, l’industrie mécanique. Les applications visées par cette technique vont de l’investigation physique des matériaux, la surveillance en service, en passant par le contrôle de fabrication, la surveillance de machines tournantes ou le contrôle et l’évaluation de matériaux composites .

Phénomènes physiques à l’origine de l’EA

On peut classer les systèmes susceptibles d’être étudiés par la technique d’EA en deux catégories. La première catégorie est celle des systèmes évolutifs du point de vue physicochimique en l’absence de sollicitations mécaniques, dans ce cas, l’EA peut provenir des changements de phase, des réactions chimiques et des dispersions de gaz et de liquides.

Cas des systèmes évolutifs du point de vue physicochimique en l’absence de sollicitations mécaniques 

L’EA peut être la signature de plusieurs phénomènes physico-chimiques. En absence de sollicitations mécaniques, l’activité de l’EA peut être générée par :
✦ l’apparition d’un certain nombre de microfissures à l’échelle macroscopique ou microscopique suite aux changements de phases induits par des traitements thermiques.
✦ les réactions chimiques sous forme d’ondes de choc produites par des évènements microscopiques lors d’un processus chimique.
✦ la dispersion des particules de gaz dans un liquide, c’est-à-dire par les vibrations provoquées par la formation des bulles et leur déplacement.
✦ les collisions entre particules dans le cas d’un processus de broyage d’un matériau fragile et hétérogène.
✦ les fluctuations hydrodynamiques de pression lors de l’écoulement de particules.

Cas des systèmes évoluant sous sollicitations mécaniques

Dans le cas des systèmes évoluant sous sollicitations mécaniques, on distingue trois grandes catégories suivant la nature du matériau considéré [2]:

✦ L’EA dans le béton ou ciment (génie civil) :
L’EA est utilisée dans l’évaluation non destructive des ouvrages en génie civil et permet de détecter des pathologies dans le béton ou dans l’acier. Les signaux d’EA peuvent être la signature de plusieurs types d’endommagements dans le béton ou le ciment, par exemple la microfissuration de la résine, la décohésion résine/agrégats ainsi que la rupture des agrégats.

✦ EA dans les matériaux composites :
Les différents mécanismes d’endommagement rencontrés dans les matériaux composites sont principalement la fissuration de la matrice, le décollement à l’interface fibre/matrice (déchaussement), le délaminage interlaminaire (pour les matériaux stratifiés) et la rupture de fibres par exemple dans les structures aéronautiques.

✦ EA dans les matériaux métalliques :
Les mouvements des dislocations peuvent créer une activité acoustique. En effet, les défauts actifs et sous contrainte mécanique libèrent de l’énergie sous formes d’ondes ultrasonores.

Les propriétés de l’onde émise dépendent des variations des champs élastodynamiques au niveau des dislocations à l’intérieur du matériau.

Influence des phénomènes physiques sur la nature des signaux d’EA

La nature des signaux d’EA peut être différente selon le phénomène physique détecté. Il existe deux types de signaux d’EA [2]. Le premier type est l’émission pseudo-continue qui est constituée d’un grand nombre de signaux aléatoires de très petite amplitude qui se superposent les uns les autres et qui s’ajoutent au bruit de fond comme par exemple les signaux provenant des fluctuations hydrodynamiques de pression utilisés pour la détection de fuite dans les tuyauteries ou les signaux émis par un défaut en rupture ductile (le matériau plastifie et rompt progressivement). Le deuxième type est l’émission discrète qui est constituée de signaux transitoires, bien séparés les uns des autres. C’est le cas des signaux d’EA provenant d’un défaut sous contrainte mécanique en rupture fragile. En effet, il existe différents types de rupture selon la ductilité du matériau. Cette dernière est définie comme étant la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre.

On distingue quatre types de mode de rupture pour des matériaux sous sollicitation monotone en traction. Le premier mode est la rupture élastique fragile, le comportement global est linéaire élastique et la rupture intervient de façon brutale et les déformations à la rupture sont généralement faibles (inférieures à 1%). Les matériaux ayant ce type de comportement sont les céramiques massives, les verres, le béton et certains aciers. Le deuxième mode est la rupture quasi fragile, le comportement global est non linéaire essentiellement causé par l’apparition d’une microfissuration. Les matériaux ayant ce type de comportement sont les composites et les nouveaux bétons renforcés. On trouve ensuite le mode de rupture plastique fragile, le matériau plastifie mais rompt brutalement pour des déformations relativement faibles. C’est le cas des métaux de type cubique centré ou hexagonal lorsque la température est suffisamment faible. On trouve enfin le mode de rupture ductile, le matériau plastifie et rompt progressivement. L’endommagement peut être diffus et relativement important. Les métaux cubiques à faces centrées ainsi que les métaux de type cubique centré (pour une température suffisamment élevée) ont ce comportement.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 Généralités sur le contrôle par EA
1.1 Principe général du contrôle non destructif par émission acoustique
1.1.1 Définition et historique
1.1.2 Phénomènes physiques à l’origine de l’EA
1.1.2.1 Cas des systèmes évolutifs du point de vue physico-chimique en l’absence de sollicitations mécaniques
1.1.2.2 Cas des systèmes évoluant sous sollicitations mécaniques
1.1.3 Influence des phénomènes physiques sur la nature des signaux d’EA
1.1.4 Analyse de l’émission acoustique par un défaut sous contrainte
1.1.4.1 Approche dite « basée sur les signaux »
1.1.4.2 Approche basée sur les formes d’ondes
1.2 Simulation du CND par EA par un défaut sous contrainte
1.2.1 Phénomènes physiques à modéliser
1.2.1.1 Fissuration
1.2.1.2 Propagation
1.2.1.3 Détection
1.2.2 Intérêt de la simulation du CND par EA
1.2.3 Etat de l’art sur les méthodes de simulation du CND par EA
1.2.3.1 Simulation de l’EA en onde de Rayleigh
1.2.3.2 Simulation de l’EA en ondes guidées
1.2.3.3 Synthèse
1.3 Conclusion
Chapitre 2 Etat de l’art sur la modélisation des sources et des capteurs d’EA
2.1 Modèle de source d’EA en mécanique de la rupture
2.1.1 Description des processus de fissuration et des modes d’ouverture
2.1.2 Présentation des modèles existants dans la littérature
2.1.2.1 Approche statique asymptotique
2.1.2.2 Approche statique analytique
2.1.2.3 Approche dynamique asymptotique
2.1.3 Comparaison des modèles et choix du type de modélisation
2.1.3.1 Comparaison entre le modèle statique asymptotique et le modèle statique
analytique
2.1.3.2 Comparaison entre le modèle statique asymptotique et le modèle
dynamique asymptotique
2.1.3.3 Dynamisation de la solution statique analytique exacte
2.2 Etat de l’art sur la modélisation des capteurs d’EA
2.2.1 Types de capteurs utilisés en EA
2.2.2 Modélisation des capteurs piézoélectriques d’EA
2.2.2.1 Modèle piston
2.2.2.2 Extensions possibles du modèle piston
2.3 Conclusion
Chapitre 3 Modélisation 2D de l’EA en onde de Rayleigh
3.1 Etat de l’art sur la modélisation 2D de la propagation de l’onde de Rayleigh
3.1.1 Modèles de propagation analytiques pour une surface plane
3.1.1.1 Expression analytique du déplacement de l’onde de Rayleigh
3.1.1.2 Fonction de Green 2D de l’onde de Rayleigh
3.1.2 Modèles de propagation pour une surface cylindrique
3.1.2.1 Expression analytique du déplacement
3.1.2.2 Expression asymptotique du déplacement
3.1.3 Discussion sur les choix des modèles de propagation
3.2 Couplage entre un modèle de source d’EA et un modèle 2D de propagation de
l’onde de Rayleigh
3.2.1 Formulation de couplage basée sur l’utilisation d’une onde virtuelle
3.2.1.1 Structure plane
3.2.1.2 Structure cylindrique
3.2.2 Applications numériques
3.2.2.1 Simulation de la source d’EA
3.2.2.2 Simulation des formes d’onde
3.2.3 Synthèse
3.3 Cas d’application : Simulation d’un contrôle par EA en onde de Rayleigh
3.3.1 Expression de la tension délivrée en sortie par un capteur d’EA
3.3.2 Exemples d’application
3.4 Conclusion
CONCLUSION

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