Méthode d'écoute acoustique

Le suivi de l'endommagementdes piles de pontrenforcés de PRFC esttrès limité, car la présence du chemisage de PRFC ne permetpas un suivi visuel de la séquence d'endom- magement. En eet, les premiers dommages surviennent sans aecter l'aspect visuel du chemisage de PRFC. Les techniques de contrôle non destructif permettent donc d'évaluer la séquence d'endommagement sans altérer la condition des spécimens à l'étude. Dans la pratique, plusieurs techniques sont utilisées pour l'évaluation des diérents types de structures tels que l'impact-écho, l'infrarouge, le radar, les vitesses ultrasonores et l'écoute acoustique. Brièvement, l'impact-écho évalue les réexions des ondes générées mécanique- ment à travers un élément d'une structure. L'infrarouge utilise les principes de conduc- tion et de radiation pour évaluer la variation de radiance en surface d'un élément d'une structure, dit plus simplement, les méthodes d'infrarouge se basent sur les diérences de température à la surface de l'élément. Le radar et les vitesses ultrasonores se basent sur la propagation d'une onde à travers un élément d'une structure, et ce, respectivement avec une impulsion électromagnétique et mécanique. La méthode d'écoute acoustique per- met d'interpréter en temps réel le comportement et le niveau d'endommagement d'une structure. Cette méthode non destructive, généralement associée au structural health mo- nitoring, est basée sur un principe d'écoute de la réponse de la structure à une sollicitation externe. L'avantage majeure de la méthode d'écoute acoustique est qu'aucune perturbation n'est induite par l'appareil d'auscultation, ce qui la qualie de méthode passive.

2.3.1 Théorie relative à l'écoute acoustique

Lorsqu'une structure est sollicitée, cette dernière emmagasine de l'énergie jusqu'au point où une rupture ou un frottement entre deux interfaces survient. À ce moment, une grande quantité d'énergie élastique emmagasinée est relâchée à l'intérieur de la structure, c'est ce qui désigne un événement acoustique. Ce phénomène énergétique relié aux événements acoustiques se propage par des ondes élastiques à l'intérieur de la structure. Ces ondes élastiques sont enregistrées sous forme de signal électrique par des capteurs piézoélectriques xés à la surface de la structure.

Ondes élastiques

Ces ondes élastiques se subdivisent en trois types d'ondes soient ; les ondes longitudinales (Ondes P), les ondes de cisaillement(Ondes S) etune série d'ondes d'interface telles que les ondes de surface (Ondes de Rayleigh etLove), les ondes rééchies, les ondes diractées etles ondes guidées (Ondes de Lamb) [Grosse etOhtsu, 2008]. Les ondes P etS sont

14 CHAPITRE 2. REVUE DE LA LITTÉRATURE celles qui caractérisent le mieux les événements acoustiques en raison de leur vitesse de propagation et de leur amplitude. Les ondes P sont généralement plus faciles à détecter par les capteurs. D'un autre côté, les ondes d'interface sont en partie causées par la résonance des capteurs, l'hétérogénéité du matériau, des interfaces et aux limites de la structure [Grosse et Ohtsu, 2008] [Hardy, 2005].

Vitesse de propagation de l'onde

La vitesse de propagation des ondes s'avère un paramètre important dans la caractérisation de l'onde, mais aussi lors de l'analyse du signal enregistré. Si la distance entre les capteurs et la source de l'événement acoustique est plus petite que la longueur de l'onde, les ondes P et S seront confondues en raison d'une superposition de ces deux types d'ondes [Hardy, 2005]. Par contre, si les capteurs sont plus éloignés, la vitesse de propagation de l'onde S étant plus faible que celle de l'onde P, un décalage entre les deux types d'ondes sera visible. De plus, chaque matériau possède une vitesse de propagation de l'onde qui lui est propre en raison de sa densité, de ses propriétés d'anisotropie et de son hétérogénéité ou pas. Par exemple, la vitesse de propagation dans l'acier est d'approximativement 5900 m/s tandis que celle dans le béton se situe entre 3700 et 4200 m/s [Malhotra et Carino, 2004].

2.3.2 Atténuations

Idéalement, l'onde élastique émise par un événement acoustique se propage directement vers un capteur et est enregistrée sans perte d'énergie. Même si cette hypothèse est généra- lement posée pour plusieurs analyses d'écoute acoustique [Grosse et Ohtsu, 2008], la réalité est toute autre. En eet, l'onde qui se propage est souvent sujette à des atténuations qui se caractérisent par une perte d'amplitude de cette dernière [Hellier, 2012]. L'atténuation du signal est principalement causée par trois facteurs ;

1. Propagation géométrique

Lorsque l'onde tend à se propager à l'intérieur du volume, son énergie élastique tend à diminuer en fonction de la distance parcourue par l'onde. En eet, plus la distance entre l'événement acoustique et le capteur est faible, plus l'atténuation du signal dû à la géométrie de la structure est faible [Hellier, 2012].

2. Conversion des modes

La présence d'interface, de frontières géométriques et de discontinuités génèrent plu- sieurs réfractions et réexions de l'onde qui se propage. Ainsi, l'énergie élastique de l'événement acoustique est largement réduite ce qui contribue à diminuer l'amplitude de l'onde primaire enregistrée par le capteur [Hardy, 2005] [Aggelis, 2011].

3. Absorption

Ce phénomène est en fait l'absorption ainsi que la conversion de l'énergie élastique et cinétique en chaleur par le matériau dans lequel l'onde se propage. À titre d'exemple, l'acier absorbe très peu d'énergie en raison des faibles fréquences utilisées en écoute acoustique [Hellier, 2012].

Bref, l'atténuation de l'onde nécessite une attention particulière lors de l'analyse des don- nées recueillies, car l'amplitude de l'onde est inuencée à la baisse par diérents facteurs. L'essai de la mine de crayon ASTME976 [2010] permet de calibrer la vitesse de propa- gation de l'onde et de cibler de potentiels facteurs d'atténuation. De même, l'élaboration de la courbe d'atténuation permet aussi d'optimiser le positionnement des capteurs pour enregistrer des événements acoustiques lors d'applications spéciques [Hellier, 2012].

2.3.3 Paramètres d'écoute acoustique

Chaque série d'événements acoustiques ayant sa propre signature, chaque signal est donc diérent. Les sept principaux paramètres d'écoute acoustique [PAC, 2005] qui caractérisent le signal enregistré sont illustrés à la gure 2.1. Il est à noter que les logiciels d'acquisition acoustique calculent diérents paramètres reliés à la fréquence et l'énergie [PAC, 2005].

Figure 2.1 Principaux paramètres d'écoute acoustique

1. Durée : L'intervalle de temps entre le premier et le dernier signal passant le seuil d'acquisition.

16 CHAPITRE 2. REVUE DE LA LITTÉRATURE 3. Comptes : Le nombre de fois que le signal dépasse le seuil d'acquisition.

4. Temps de montée : Le temps nécessaire entre le seuil d'acquisition et l'amplitude maximale.

5. Énergie : L'intégrale absolue de la tension du signal (amplitude). 6. Fréquence : Le nombre de cycles produits durant une unité de temps.

7. Force du signal : La sommation des amplitudes dépassant le seuil d'acquisition.

2.3.4 Capteurs

Les ondes élastiques sont enregistrées par des capteurs piézoélectriques et elles sont en- suite transformées en signal électrique. Lors de l'acquisition du signal, le type de capteurs inuence grandement la qualité du signal et le type de données enregistrées.

1. Capteurs de résonance

Ces capteurs sont valables pour une petite plage de fréquence en raison des caracté- ristiques du capteur. En eet, ce type de capteurs présente un faible amortissement du signal, il est ainsi particulièrement sensible aux fréquences avoisinant la fréquence du capteur d'où le nom de résonance [Hardy, 2005]. Ils ont une grande sensibilité pour les ondes de surface [Behnia et al., 2014], mais le signal enregistré ne permet pas d'évaluer l'onde de surface réelle. Les capteurs piézoélectriques sont généralement basés sur ce principe de résonance [Grosse et Ohtsu, 2008].

2. Capteurs à haut débit

Ces capteurs sont en mesure de répondre uniformément à une grande plage de fré- quences des ondes élastiques. En fait, ils ont une sensibilité équivalente pour l'en- semble des fréquences. Ce type de capteur permet de réaliser un meilleur ltrage du signalpar rapport au bruit ambiant [Behnia et al., 2014].

En général, les capteurs de résonance sont utilisés pour l'acquisition de paramètres carac- térisant les signaux acoustiques tandis que les capteurs à haut débit sont préconisés pour l'acquisition du signal acoustique seulement [Behnia et al., 2014].

2.3.5 Acquisition de données

La méthode d'acquisition inuence grandement l'analyse de données qui pourra être mise en ÷uvre. Selon le type de capteurs et l'appareil d'enregistrement utilisé, l'acquisition des données peut être réalisée sous 2 formes soit :

1. L'approche paramétrique

Cette approche est principalement basée sur l'enregistrement des paramètres acous- tiques comme les détections, les comptes, la durée, l'amplitude, l'énergie et la fré- quence. Elle permet principalement de cibler la formation de défauts et d'évaluer la rupture d'éléments structuraux [Carpinteri et al., 2011]. En eet, ces paramètres sont grandement inuencés par les propriétés géométriques et le niveau d'endomma- gement des matériaux à l'étude [Behnia et al., 2014].

2. L'approche du signal

Cette approche nécessite l'enregistrement de l'ensemble du signal qui permet l'étude du mécanisme de propagation de l'onde et des variations du signal [Behnia et al., 2014]. Elle permet aussi de réaliser un meilleur ltrage des bruits ambiants durant l'essai. Par contre, Grosse et Finck [2006] rapporte que l'interprétation du signal doit être réalisée manuellement par un utilisateur expérimenté.

La principale diérence entre les deux approches réside dans l'information enregistrée. Celle des paramètres reste l'approche la plus utilisée et la plus simple. Par contre, l'enre- gistrement du signal seulement s'avère économique en terme d'espace, mais nécessite une analyse plus élaborée.