Analyse spectrale en contrôle non destructif par ultrasons

Texte intégral

(1)

Université de Jijel

Faculté de des Sciences et de la Technologie

Département d’Electronique

Projet de fin d’études pour l’obtention du diplôme de

Master en Electronique

Option

Electronique et Systèmes de Communication

Thème

Présenté par Encadré par :

Bouchefirat Messaoud Dr. DIB Samira

Année universitaire : 2018-2019

Analyse spectrale en contrôle non

destructif par Ultrasons

(2)

Tout d’abord, je tiens à remercier le bon dieu le tout puissant de m’avoir donné la force et

le courage de mener à bien ce modeste travail. Egalement je remercie mes parent qui m’ont

encouragé et aidé à arriver à ce stade de ma formation.

Je tiens à remercier tous ceux et celles qui m’ont aidé pour la rédaction de ce mémoire.

Mes remerciements vont au docteur DIB Samira, mon encadreur, pour ses précieux

conseils et de m’avoir guidé pour la réalisation de ce travail.

Mes remerciements vont également aux membre de jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à

ma recherche en acceptant d’examiner mon travail

Durant ces cinq années, j'ai eu l'occasion de rencontrer un grand nombre de personnes qui

ont pris le temps d'échanger avec moi et de partager leur connaissance, C.Hadji,

Merdjana, S.Heddad, Boukabou, R.Beghoul, Kemmih et surtout à M.Grimes qui m’a

fourni les signaux utilisés dans cette étude, je les remercie de tout mon cœur.

Un merci tout particulier à Monsieur BENKDIDEH Toufik, chef de département, pour

son aide précieuse et qui m’a accordé un peu de son temps pour discuter autour de divers

sujets.

(3)

Je dédie cet évènement marquant de ma vie à :

La mémoire de ma grand-mère, décédée récemment, qui m'a toujours poussé et motivé dans mes études. Je ne saurais exprimer mon grand chagrin en ton absence j’aurais aimé que tu sois à mes cotes ce jour,"yemma" t’es plus là pour me voir, que ce travail soit une prière pour le repos de ton âme.

A mes chers parents qui m’ont toujours soutenu, aucune dédicace ne saurait exprimer mon grand respect, et la reconnaissance pour les sacrifices que vous avez consentis pour mon éducation.

(4)

V

Table des matières

Sommaire……….………..………V

Liste des Figures ... IX Liste des Tableaux ... XI Liste des abréviations ... XIII

Liste des notations……….………...………..XIV

Introduction générale ... 1

Chapitre 1

Généralités sur les ultrasons et le Contrôle Non Destructif

1. Introduction ………4 2. Onde sonores ... 4

2.1. Définition ………4

2.2. Domaine de fréquences

... 5

3. Ultrasons

... 5

3.1. Définition

... 5

3.2. Caractéristique ... 5

3.3. Types d’ondes ultrasonores

... 6

3.3.1. Les ondes longitudinales

... 6

3.3.2. Les ondes transversales

... 7

3.3.3. Les ondes de surface

... 8

3.3.4. Les ondes de Lamb ... 8

4. Productions des ondes ultrasonores... 8

4.1. L’effet piézo-électrique ... 9

4.2. Etude d’un traducteur d’ondes longitudinales ... 9

4.3. Etude d’un traducteur d’ondes transversales, de surface ou de LAMB

... 11

5. Répartition de l’énergie par rapport à un dioptre

... 12

5.1. Incidence normale

... 12

5.2. Incidence oblique

... 13

6. Atténuation des ondes ultrasonores

... 14

(5)

VI

8. Contrôle non destructif

... 15

8.1 Introduction

... 15

8.2 Définition du CND ... 16

9. Les différentes techniques de CND ... 16

9 .1. Le contrôle visuel ... 16

9.2. Les courants de Foucault

... 16

9.3. La magnétoscopie

... 17

9.4. Le ressuage ... 18

9.5. Ultrasons ... 19

9.5.1 Principe de la méthode ... 19

9.5.2. Méthodes de contrôle ... 20

9.5.3 Techniques mises en œuvre ... 22

9.5.4 Contrôle par contact ... 22

9.5.5 Contrôle en immersion ... 22

10. Détection des défauts ... 23

11. Champ d’application du contrôle non destructif ... 24

12. Conclusion ... 24

Chapitre 2

Les méthodes de traitement du signal - Théorie et Simulation

1.Introduction ... 26

2.Quelques techniques de traitement du signal ... 26

2.1.Transformée de Hilbert ... 26

2.1.1.Utilisation de la Transformée d’Hilbert dans la détection d’enveloppe

... 27

2.1.2.Utilité de la détection d’enveloppe en CND

... 27

2.

2.Transformée de Fourier

... 28

2.

3.Transformée de Fourier à court terme

... 29

2.

4.La transformée de Wigner-Ville

... 30

2.

5.Distribution de Choi-Williams ... 31

2.

6.La Transformée en Ondelettes ... 32

2.

6.1.Principe

... 32

(6)

VII

2.

6.2.1.La condition d’admissibilité ... 35

2.

6.2.2. Calcul des coefficients de la T.O.C ... 36

3. Simulation et résultats

... 37

3.1.Transformée de Hilbert

... 38

3.2.Transformée de Fourier

... 39

3.3.La transformée de Wigner-Ville

... 40

3.4.Distribution de Choi-Williams ... 41

3.5.La Transformée en Ondelettes ... 42

4.Conclusion ... 44

Chapitre 3

Analyse des résultats expérimentaux

1.Introduction ... 72

2.Expérience 01 ... 73

2.1.Description de l'expérience ... 73

2.2.Description du système de mesure

... 73

2.3. Caractérisation du matériau

... 74

2.3.1 Détermination de l’épaisseur de l’échantillon et la position du défaut . 74

2.3.2 Calcul de la vitesse de propagation de l'onde longitudinale dans l’acier

... 75

2.4.Analyse du signal réel d’acier

... 75

2.4.1.Transformée de Hilbert (TH) ... 75

2.4.2.Transformée de Fourier (TF) ... 77

2.4.3.Transformée de Wigner-Ville (TWV)

... 78

2.4.4.Distribution de Choi williams

... 80

2.4.5 Transformée en ondelettes (TO) ... 83

3. Expérience 02 ... 85

3.1.Description de l'expérience

... 85

3.2.Description du système de mesure

... 86

3.3. Caractérisation du matériau

... 87

3.3.1.Détermination de l’épaisseur de l’échantillon

... 87

3.3.2.Calcul des vitesses longitudinales de propagation dans les deux milieux ... 87

3.4. Analyse du signal réel d’aluminium ... 88

(7)

VIII

3.4.1.Transformée de Hilbert (TH) ... 88

3.4.2.Distribution de Wigner-ville ... 90

3.4.3.Distribution de Choi williams ... 91

3.4.4.Transformée en ondelettes (TO) ... 92

4.Etude comparative ... 94

5.Conclusion ... 95

(8)

IX

Liste des Figures

Chapitre 1

Figure 1.1 Les différents types de sons suivant la fréquence…….…………. 5

Figure 1.2 Principe de la piézoélectricité………...…….. 9

Figure 1.3 Schéma d’un traducteur d’onde longitudinale mono-élément... 10

Figure 1.4 Traducteur d’onde longitudinale bi élément ………..……. 11

Figure 1.5 La réflexion et la transmission à incidence normale ……… 12

Figure 1.6 Incidence oblique…..………...……... 13

Figure 1.7 Principe de la technique CND par courants de Foucault ……….... 14

Figure 1.8 Principe de la technique CND par magnétoscopie ………. 18

Figure 1.9 Les étapes de la technique CND par ressuage ……… 18

Figure 1.10 Principe de la technique CND par US ………..……… 19

Figure 1.11 Contrôle par transmission ………...………. 20

Figure 1.12 Contrôle par écho ……….……….………….. 21

Chapitre 2

Figure 2.1 Calcul du temps de décalage entre deux signaux……….… 28

Figure 2.2 Transformée de Fourier à court terme ….……….... 30

Figure 2.3 Type des ondelettes ………...…….. 33

Figure 2.4 Comparaison entre le pavage TFCT et T.O……….……..…………. 34

Figure 2.5 Etapes 1 et 2 dans le calcul de la TOC ……….…..……….. 37

Figure 2.6

Etape 3 dans le calcul de la TOC

……….……..…..

37

Figure 2.7

Etape 4 dans le calcul de la TOC

………..……..…..

37

Figure 2.8 l’application de la TH sur le signal simulé ………....….. 38

Figure 2.9 l’application de la FFT sur le signal simulé ………...… 39

Figure2.10 La distribution de Wigner Ville de signal …………..……….. 40

Figure2.11 Distribution de Wigner Ville de (S1), (S2, S3 et S4) ………. 40

(9)

X

Chapitre 3

Figure2.13 Distribution de choi-williams de (S1), (S2, S3 et S4)………. 42

Figure2.14 La transformée en ondelette continue de signal ………….….…… 43

Figure2.15 Contour de la transformée en ondelette continue de signal…… 43

Figure 3.1 Processus de traitement du signal sur un matériau ………….… 72

Figure 3.2 Système de mesure ….………..…….... 73

Figure 3.3 Echo reçu de l’échantillon d’acier.………..…...…….. 74

Figure 3.4 Les trois échos recueillis à partir du spécimen acier ………. 74

Figure 3.5 Représentation temporale du signal par la TH ……….………….. 75

Figure 3.6

Représentation spectrale du signal

……….……..…..

77

Figure 3.7

Représentation Temps-fréquence par la DWV

………..

78

Figure 3.8 Analyse par la DVW (séparation des échos)………....…….... 79

Figure 3.9 La distribution de Choi-williams du signal avec : σ → 1……….… 81

Figure 3.10 La distribution de Choi-williams du signal avec : σ → ∞……….. 81

Figure 3.11 Représentation du scalogramme du signal sur une échelle à

160

83

Figure3.12 Contours temps-échelle (scalogramme) du signal ………….…… 83

Figure3.13 Analyse en ondelettes (séparation des échos)………..………. 84

Figure3.14 Système de mesure ………….………..…… 86

Figure3.15 Echo reçu de l’échantillon d’aluminium ……….… 87

Figure3.16 Représentation temporale du signal par la TH………. 89

Figure3.17 Représentation Temps-fréquence par la WVD ………….…..…… 90

Figure3.18 Représentation Temps-fréquence par la DCW………..………. 91

(10)

XI

Liste des Tableaux

Chapitre 2

Tableau 2.1 Paramètres du signal simulé ………...………. 37

Tableau 2.2 Résultats (emplacement des échos, temps de décalage) par

TH

39

Tableau 2.3 Résultats (temps de décalage) par la TH………. 39

Tableau 2.4 Calcul des fréquences de signal par la FFT.……….... 40

Tableau 2.5 Calcul des temps et fréquences des signaux par WVD………… 41

Tableau 2.6 Résultats (temps de décalage) par la DWV………. 41

Tableau 2.7 Calcul des temps des signaux par CWD.………... 42

Tableau 2.8 Résultats (temps de décalage) par CWD……… 42

Tableau 2.9 Calcul des temps des signaux par TOC ……….. 43

Tableau2.10

Résultats (temps de décalage) par la TOC..………... 43

Chapitre 3

Tableau 3.1 Détermination des temps des échos et de temps de vol par la

TH

76

Tableau 3.2 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

DWV

79

Tableau 3.3 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

CWD

82

Tableau 3.4 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

TOC

84

Tableau 3.5 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

TH

89

Tableau 3.6 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

WVD

90

(11)

XII

CWD

Tableau 3.8 détermination des temps des échos et de temps de vol par la

TOC

93

Tableau 3.9 valeurs de : vitesse de propagation, épaisseur d’échantillon,

position de défaut et de transducteur trouvées par les deux

expériences.

94

Tableau3.10 Module d’Young pour l’échantillon d’acier et d’aluminium

déterminé par les différentes méthodes étudiées.

(12)

XIII

Liste des abréviations

CND Contrôle Non Destructif

NDT Non Destructif Testing FFT

TFCT

Fast Fourier Transform

Transformée de Fourier à court terme TH Transformée de Hilbert

CWD Choi-Williams distribution WVD Wigner-Ville distribution

(13)

XIV

Liste des notations

𝐟 Fréquence de propagation λ Longueur d’onde 𝐯 Vitesse de propagation z Impédance acoustique ρ Masse volumique T Coefficient de transmission R Coefficient de réflexion 𝑰𝒓 Energie réfléchie 𝑰𝒊 Energie incidente 𝑰𝒕 Energie transmise

x Distance traversée par l’onde

A Amplitude à la distance x

𝑨𝟎 Amplitude initiale

𝜶 Coefficient d’atténuation

𝒃𝒊(𝒕) Bruit blanc gaussien

𝝉 Temps d’arrivé

𝜶 Facteur de bande passante

𝒇𝒄 Fréquence centrale

𝜷 Amplitude

𝝋 Phase

𝑯(𝒕) Transformée de Hilbert

𝒉𝟎(𝒕) Réponse impulsionnelle du filtre de Hilbert

𝒛(𝒕) Signal analytique

(14)

XV

a Paramètre d’échelle (dilatation)

b Paramètre de position d’ondelette (translation) | 𝒂|−𝟏𝟐 Facteur de normalisation

𝛙∗ Complexe conjugué de l’ondelette

𝐖𝐟 Coefficient d’ondelette 𝑺𝒂 Signal d'approximation 𝑺𝒅 Signal de détail 𝑬𝟏 Echo de face 𝑬𝟐 Echo de fond 𝑬𝒅 Echo de défaut

(15)

1

Introduction générale

Le contrôle non destructif est devenu un champ de croissance continu. Il joue un rôle très important dans différents domaines, en particulier dans l’industrie des canalisations et de stockage notamment dans les secteurs du pétrole et du gaz, le nucléaire, l’automobile, l’aéronautique ….etc.

Le contrôle non destructif permet de vérifier la qualité du matériau (repérer les discontinuités dans une pièce) sans l’endommager, soit au cours de la production, soit au cours de la maintenance. Il regroupe un ensemble de méthodes qui ont pour but général de contrôler un objet sans le modifier. On peut les classer selon les phénomènes physiques mis en jeu : acoustiques, rayonnements, flux de matière, champs électromagnétiques.

Le choix d’une méthode dépend de la structure à examiner, des conditions dans lesquelles sera effectué le contrôle ainsi que des contraintes de temps et de coût. Dans ce travail, on s’intéresse à la méthode de contrôle par ultrasons, dans lequel on émet des ondes ultrasonores dans le matériau à examiner, les ondes se propagent dans le milieu et sont récupérées par un récepteur permettant, dans la mesure du possible, d’identifier les défauts contenus dans le matériau. Le même procédé peut être appliqué pour le caractériser, c’est à dire pour estimer les paramètres physiques propres.

Le traitement du signal est la discipline qui développe et étudie les techniques d’analyse des signaux. Dans ce mémoire, on se concentre sur la séparation d’échos proches dans un but de localisation d’échos ultrasonores. Cette analyse sera faite utilisant certaines méthodes de traitement du signal à savoir, Transformée de Hilbert (TH), Distribution de Wiener Ville (WVD), Distribution de Choi-Williams (CWD) et la Transformée d’Ondelettes Continue (TOC).

Ce manuscrit est structuré en trois chapitres :

Dans le premier chapitre, on présentera des généralités sur les ultrasons et le domaine de contrôle non destructif en décrivant ses différentes techniques aussi bien les notions de base qui seront utilisées dans la suite du mémoire.

Dans le deuxième chapitre, on présentera, en premier lieu, quelques méthodes de traitement du signal notamment : Transformée de Hilbert, Transformée de Fourier,

(16)

2

Distribution de Wigner-ville et de Choi-williams, et enfin la Transformée en Ondelettes. Ensuite, on appliquera ces dernières méthodes sur un signal simulé. Le dernier chapitre sera consacré à l’application de ces méthodes sur des signaux réels. Il comprendra des simulations MATLAB portant sur l’évaluation des performances de ces méthodes.

Enfin, on clôtura notre travail par une conclusion générale dans laquelle les résultats de simulation seront présentés avec une étude comparative.

(17)

Généralités sur les ultrasons et le

Contrôle Non Destructif

1. Introduction

2. Onde sonores

3.

Ultrasons

4.

Productions des ondes ultrasonores

5. Répartition de l’énergie par rapport à un dioptre

6. Atténuation des ondes ultrasonores

7. Utilisations des ultrasons

8. Contrôle non destructif

9. Les différentes techniques de CND

10. Détection des défauts

11. Champ d’application du contrôle non destructif

12. Conclusion

1

(18)

4

1.

Introduction

Depuis bien longtemps, on sait que les animaux tels que les baleines, dauphins ou bien encore chauve-souris utilisent les ultrasons dans le but de trouver la localisation d’un objet.

En 1883, le physiologiste anglais Francis Galton invente un «sifflet à ultrasons». En soufflant dans ce sifflet, l’homme ne perçoit rien alors que les chiens réagissent. Mais c’est surtout la découverte en 1880, de la piézo-électricité, par les frères Pierre et Jacques Curie, qui a permis après 1883, de produire facilement des ultrasons et de les utiliser.

Les premières études des ultrasons n’étaient pas destinées aux humains. Ainsi ils étaient plutôt utilisés durant la première guerre mondiale pour détecter les sous-marins, par exemple. En 1918, Langevin l’utilise pour mesurer la profondeur et détecter la présence d’icebergs avec les sonars qui commencent à se répandre à partir de 1920 et qui sont les premiers appareils à ultrasons

Mais c’est seulement à partir de 1970, qu’on utilise les ultrasons dans la médecine. En effet Wild et Reid s’en servent pour faire les premières images de coupes échographiques.

L'utilisation des ultrasons depuis une vingtaine d'années a ouvert de nouvelles possibilités tant au point de vue contrôle qualité qu'au point de vue de l'étude des propriétés mécaniques des matériaux. En particulier, l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans le solide qui est devenu un moyen d'examiner certaines propriétés physiques des métaux.

2

. Ondes sonores

2.1. Définition

Les mouvements de la membrane du haut-parleur créent les ondes sonores qui se propagent ensuite dans l’air pour arriver jusqu’à nos oreilles.

Une onde sonore correspond à la propagation de perturbations mécaniques dans un milieu élastique. Ces perturbations sont perçues, entre autres, par l'oreille humaine qui les interprète comme des sons. La science qui étudie ces ondes s'appelle l'acoustique.

(19)

5

Les ondes sonores peuvent subir des réflexions, lorsque l'on entend un écho, par exemple. Elles peuvent aussi subir des réfractions, lorsqu'elles traversent une paroi. Elles peuvent enfin subir des interférences.

Les ondes sonores, contrairement aux ondes lumineuses, ne se propagent pas dans le vide. Elles s'appuient nécessairement sur un milieu matériel [1].

2.2. Domaine des fréquences :

Les ondes sonores sont émises par une source (voix humaine, instrument de musique, diapason) et mises en évidence par un récepteur tel que l’oreille humaine ou animale, un sonomètre. Elles sont caractérisées par leur fréquence et se répartissent en 3 classes [2] :

• Les infrasons : ont une fréquence inférieure à 20 Hz. Ils sont audibles par certains animaux comme les éléphants qui leur permettent de communiquer.

• Les sons : audibles par l’oreille humaine, sont compris entre 20 Hz et 20 kHz. Les sons de basse fréquence sont les sons graves et les sons aigus sont des sons de haute fréquence.

• Les ultrasons : ont des fréquences supérieures à 20 kHz. Ils sont audibles par la chauve-souris, les chats, les dauphins.

3. Ultrasons

3.1. Définition :

Ce sont des vibrations de même nature que le son, mais de fréquence supérieure à la plus haute fréquence audible pour un homme. Ces vibrations sont produites dans la matière à une fréquence supérieure à 20 kHz. Les ultrasons se déplacent à des vitesses différentes dans les différents milieux traversés. Ils détiennent les mêmes propriétés générales que les ondes élastiques, c’est-à-dire des ondes vibratoires ou des ondes de pressions dépendant du milieu de propagation [3].

3.2. Caractéristiques

Les ondes ultrasonores sont caractérisées par plusieurs éléments, on cite en particulier [4] :

Longueur d’onde λ et sa fréquence f qui sont liées par la relation :

(20)

6

Impédance acoustique Z, qui caractérise la résistance qu’un milieu et s’oppose à sa mise en mouvement lorsqu’il est traversé par une onde acoustique. Elle dépend de la masse volumique et de la compressibilité du milieu, c’est-à-dire de son aptitude à reprendre sa forme originale après déformation :

𝑍 = √𝜇 𝑥⁄ (1 .2) Avec :

o Z = impédance acoustique exprimée en Kg/m²/s o x = la compressibilité du milieu en m2.s.kg-1. o µ= la masse volumique en kg.m-3.

Célérité, c’est la vitesse de propagation dans un milieu exprimée en m/s: 𝐶 = 𝑍 𝜇⁄ (1.3) Mais on peut très bien se servir d’une formule beaucoup plus simple :

𝐶 = 𝑑 𝑡⁄ (1.4) Avec : d : distance en m et t : temps en s.

Pression P et intensité I : L’intensité correspond à l’énergie qui traverse une unité de surface pendant une unité de temps. Elle est définie par l’expression :

𝐼 = 𝑃2⁄2𝑍 (1.5)

3.3. Types d’ondes ultrasonores

Plusieurs types d’ondes ultrasonores sont susceptibles de se propager dans les milieux solides. Ces ondes se différencient les unes des autres par [5]:

 La forme et la direction des trajectoires qu’elles impriment aux particules du matériau dans lequel elles se propagent ;

 La vitesse de propagation ou célérité ;

 La distance à laquelle elles sont susceptibles de se propager dans le matériau.

(21)

7

On distingue quatre types d’ondes ultrasonores : les ondes longitudinales, les ondes transversales, les ondes de surface et les ondes LAMB.

3.3.1. Les ondes longitudinales (ou de compression)

Ces ondes ont la propriété de se propager dans les milieux gazeux, liquides et solides. Leur propagation s’accompagne, en chaque point de la matière, par des mises en compression puis en dilatation de celle-ci conduisant à des variations de volume.

La propagation d’une onde sonore ou ultrasonore dans un milieu solide n’est pas un phénomène simple. En effet, pour une onde longitudinale, les déplacements des particules, suivant la direction de propagation, entraînent également des déplacements dans d’autres directions.

.

La vitesse d’une onde longitudinale est donnée par l’expression :

𝑉ℓ = √𝐸 𝜌⁄ (1.6) Où E : module d’élasticité longitudinal du matériau tel que E=ơ∕ε en Pascal (Pa) ơ : contrainte normale (Pa) .

ε : dilatation linéique relative .

ρ: masse volumique du matériau

Il apparaît donc que la vitesse de propagation de l’onde dépend du matériau considéré puisque E, r et m sont des paramètres caractéristiques de ce matériau. Enfin, les ondes longitudinales sont très utilisées pour le contrôle non destructif des matériaux et la mesure des épaisseurs de parois.

3.3.2. Les ondes transversales (ou de cisaillement)

Ces ondes ne se propagent que dans les milieux solides. La propagation de ce type d’onde n’entraîne pas des modifications locales du volume du matériau mais simplement une déformation de celui-ci par glissement.

L

a vitesse de ce type d’ondes est donnée par l’expression :

𝑉𝑡 = 𝐺 𝜌⁄ (1.7) Où G : le module d’élasticité de glissement du matériau ou module de Coulomb exprimé en pascal (Pa) tel que :

𝐺 = 𝑡 𝑔⁄ (1.8) t : contrainte tangentielle ou de cisaillement

(22)

8

g : glissement unitaire ,

ρ: masse volumique ,

Les milieux gazeux ou liquides étant caractérisés par un module d’élasticité de glissement G est nul, les ondes transversales ne se propagent pas dans ces milieux. Enfin, les ondes transversales sont très utilisées pour le contrôle non destructif des milieux métalliques et notamment des assemblages soudés.

3.3.3. Les ondes de surface (ou de Rayleigh)

Dans certaines circonstances, les ondes transversales se propagent à la surface libre d’un matériau et n’affectent qu’une couche mince sous-jacente à celle-ci dont l’épaisseur est égale ou peu différente d’une longueur d’onde. Les ondes sont alors appelées ondes de surface ou de Rayleigh et se propagent à une vitesse d’environ 10 % de celle des ondes transversales lorsqu’elles se déplacent dans un milieu illimité.

La trajectoire des particules est la résultante de deux vecteurs de déplacement : l’un, le plus important, est perpendiculaire à la surface du matériau, l’autre, de plus faible amplitude, est parallèle à la direction de propagation donc à la surface du matériau.

Le mouvement des particules suit des trajectoires elliptiques et la vitesse de propagation d’une onde de surface est donnée par l’expression :

𝑉𝑠 = 0,9√𝐺 𝜌⁄ (1.9) Soit 𝑉𝑠 = 0,9𝑉𝑡 (1.10) Ce type d’ondes est naturellement rencontré dans la propagation des secousses telluriques.

Dans la pratique des contrôles industriels, les ondes de Rayleigh sont peu utilisées en raison de leur trop grande sensibilité aux rugosités de surface.

3.3.4. Les ondes de Lamb (ou de plaque)

Dans les tôles dont l’épaisseur est égale ou peu différente d’une longueur d’onde, les ondes de surface ne peuvent pas être générées. Dans ce cas, d’autres ondes apparaissent, ce sont les ondes de Lamb ou de plaque qui sont de deux types

(23)

9

principaux : le premier est comparable à une onde de compression et le deuxième type est caractérisé par une onde de mode transversal.

4.

Production des ondes ultrasonores

Les fréquences des ondes ultrasonores qui sont utilisées lors des contrôles industriels sont comprises entre 250 KHz et 50 MHz, le domaine le plus courant étant compris entre 1 et 10 MHz environ.

La production des ondes ultrasonores de très hautes fréquences fait appel à des transducteurs, terme général qui désigne un dispositif susceptible de transformer une forme d’énergie en une autre forme d’énergie.

En l’occurrence, les transducteurs utilisés vont convertir l’énergie électrique en énergie acoustique. Ils sont de quatre types :

 Les transducteurs électromagnétiques,

 Les transducteurs électrostatiques,

 Les transducteurs magnétostrictifs,

 Les transducteurs piézo et ferroélectrique,

L’obtention de fréquences supérieures à 250 KHz ne peut être satisfaite qu’au moyen des transducteurs piézo et ferro électriques [6].

4.1. L’effet piézo-électrique

L'effet piézoélectrique a été mis en évidence par les frères Pierre et Jacques Curie, en 1880. Le terme piézoélectricité vient du grec «piézein» signifiant presser ou appuyer. Ainsi le terme piézoélectricité désigne la propriété que présentent certains corps de se polariser électriquement, soit de générer un champ ou un potentiel électrique sous l'action d'une contrainte mécanique. On parle d'effet piézoélectrique direct. Car l'effet piézoélectrique inverse est également observé : une tension électrique appliquée à un matériau présentant des propriétés piézoélectriques entraine une modification des dimensions de ce matériau.

L'exemple sans doute le plus connu d'application de l'effet piézoélectrique se trouve dans l'industrie de l'horlogerie. En effet, la piézoélectricité est mise à profit pour la fabrication de montres (les fameuses montres à quartz) et d'horloges. Grâce à la tension fournie par une pile, le cristal de quartz se met à vibrer et permet de mesurer le temps [6].

(24)

10

Figure 1.1 : Principe de la piézoélectricité

4.2. Etude d’un traducteur d’ondes longitudinales

Tous les cristaux et céramiques piézo-électriques dont il vient d’être question sont le siège d’une déformation dans l’épaisseur sous l’action d’une différence de potentiel alternative. Ils jouent donc le rôle d’un piston et génèrent par conséquent des ondes de compression ou ondes longitudinales.

L’exploitation des vibrations ainsi créées pour l’examen non destructif d’un matériau nécessite le conditionnement de la pastille piézo-électrique dans un ensemble appelé traducteur ou palpeur.

Le rôle de ce dispositif est de permettre l’excitation électrique de la pastille encore appelée élément sensible, de protéger celle-ci des chocs mécaniques et enfin d’optimiser les signaux d’émission et de réception puisque le plus souvent, le traducteur assure ces deux fonctions.

(25)

11

Le schéma de la figure 1.2 représente un traducteur mono pastille et se compose : * De la pastille piézo-électrique,

* D’un amortisseur dont le rôle est d’interrompre le plus rapidement possible les vibrations de la pastille dès que l’excitation électrique de celle-ci a cessé,

* D’une membrane souple ou d’une lame dure de protection mécanique de la pastille piézo-électrique,

* Des conducteurs assurant les connexions électriques de la pastille, * D’un boîtier de protection,

* D’une prise de raccordement du traducteur au système d’alimentation et de réception.

La figure 1.3 représente un traducteur bi éléments piézo-électriques. Ce type de traducteur se compose de deux pastilles piézo-électriques distinctes inclinées ou non dont l’une joue le rôle d’émetteur d’ondes longitudinales et l’autre de récepteur de l’onde éventuellement réfléchie par un obstacle.

Les deux pastilles et leurs amortissements sont séparés les uns des autres par une plaque qui joue le rôle d’isolant acoustique et électrique afin d’éviter les parasites de fonctionnement. Les autres éléments constitutifs sont identiques à ceux d’un traducteur mono élément.

De tels traducteurs sont utilisés pour la recherche des défauts situés au voisinage de la surface d’examen ou lorsque les mesures doivent être effectuées avec une précision importante (mesure d’épaisseurs).

(26)

12

4.3. Etude d’un traducteur d’ondes transversales, de surface ou de

Lamb

La taille d’un cristal de quartz permet d’obtenir des lames piézo-électriques qui, sous l’effet d’une polarisation électrique, subissent un changement de forme sans changement de volume par glissement de leurs faces.

On pourrait donc ainsi envisager de transmettre dans un matériau des ondes transversales ou de cisaillement perpendiculairement à la face d’examen.

Malheureusement, ceci ne peut être facilement réalisé car les milieux liquides assurant le couplage acoustique entre le traducteur et la pièce contrôlée ne transmettent pas ce type d’ondes.

La réalisation des traducteurs d’ondes transversales exploite les phénomènes aux interfaces [5].

5. Répartition de l’énergie par rapport à un dioptre

Suivant l’angle d’incidence de l’onde se propageant dans deux milieux séparés par un dioptre, on peut distinguer deux cas : l’incidence normale et l’incidence oblique.

5.1. Incidence normale

Dans ce cas, l’onde incidente est perpendiculaire à la surface de la pièce. Lorsqu’une onde ultrasonore arrive sur une interface placée à un angle droit par rapport à sa direction initiale, une partie est réfléchie dans le sens opposé et l’autre partie traverse l’interface et continue son chemin sans changer de direction. La quantité de l’énergie ultrasonore réfléchie ou coefficient de réflexion est directement proportionnelle à la différence d’impédance acoustique (Z1, Z2) entre

les deux milieux. Si cette différence est grande, alors la plupart de l'énergie est réfléchie et seule une partie est transmise à travers l'interface. Tandis que si cette différence est petite, la majeure partie de l'énergie est transmise et seule une partie est réfléchie.

Soient I, R et T les amplitudes de l'onde incidente, réfléchie et transmise respectivement, la relation liant les trois amplitudes est la suivante :

(27)

13

Les fractions réfléchie et transmise sont liées à la variation d'impédance par les relations suivantes :

Coefficient de réflexion R :

R =Ir Ii = ( Z2−Z1 Z1+Z2) 2

(1.12)

Coefficient de transmission T :

T =It Ii = 4Z1Z2 (Z1+Z2)2

(1.13)

Où :𝐼𝑟 énergie réfléchie, 𝐼𝑖 énergie incidente, 𝐼𝑡 énergie transmise, 𝑍1 et 𝑍2

impédances acoustiques des deux milieux.

Figure 1.4 : La réflexion et la transmission à incidence normale

5.2. Incidence oblique

Lorsque les deux milieux de propagation ont deux vitesses de propagation d’onde différentes, il y aura réflexion dans le premier milieu et réfraction dans le deuxième milieu ; c’est-à-dire on a une onde ultrasonore qui se déplace à la vitesse 𝑉1 dans

le milieu 1, est incidente à un angle oblique par rapport à l’interface des milieux 1 et 2, elle produit dans le milieu1 une onde réfléchie, et dans le milieu2 une onde réfractée. L’onde réfléchie a la même vitesse 𝑉1 et le même angle α que l’onde

incidente, mais l’onde réfractée (transmise) à une vitesse 𝑉2 et un angle β.

La loi de Snell-Descartes donne la relation entre les deux vitesses en fonction des angles d’incidence et de réfraction :

(28)

14

sin 𝛼

sin 𝛽

=

V₁

V₂

(1.14)

Figure 1.5 : Incidence oblique

6. Atténuation des ondes ultrasonores

Une onde ultrasonore perd de l'énergie lors de sa propagation dans un milieu réel. Dans un matériau homogène et à faces parallèles par exemple, on observe cette perte d'énergie en enregistrant les échos successifs. L'enveloppe d'une séquence d'échos de fond de pièce présente alors une décroissance exponentielle de l'amplitude :

𝐴 = 𝐴0𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑥) (1.15)

Où : A : l’amplitude à la distance x, 𝐴0 : l'amplitude initiale, 𝛼 : le coefficient d'atténuation et x : la distance traversée par l'onde.

Cependant, les matériaux naturels produisent un effet, plus ou moins accentué, qui affaiblit d'avantage les ondes ultrasonores. Ceci est le résultat de deux phénomènes, qui sont la diffusion et l'absorption, qui se regroupent dans le concept de l'atténuation. D'une façon générale, le coefficient 𝛼 est un paramètre relatif composé du coefficient d'absorption et du coefficient de diffusion [7].

7. Utilisations des ultrasons

Les ultrasons sont utilisés dans nombreux domaines : ► En médecine,

(29)

15

- avec la thermothérapie : c'est une autre technique qui consiste à utiliser les ultrasons pour obtenir de la chaleur à fins thérapeutiques.

► En laboratoire, avec la sonication: les ultrasons sont ici employés pour rompre des membranes cellulaires ou pour nettoyer/désinfecter du matériel. On utilise ici un sonicateur.

► En agriculture, par vibration (nébulisation) de l’eau, à ce moment se forme de l'aérosol.

► En télédétection, avec le sonar.

► En télémétrie, pour mesurer les distances.

► Pour certaines activités de loisir, par exemple la création de brouillard d'eau. ► Pour chasser, certains animaux dits nuisibles : les rongeurs sont sensibles aux ultrasons et donc s'enfuient à l'écoute de ces sons. Garantie sans produit chimique. ► En téléphonie, comme sonnerie inaudible.

► Dans l'industrie automobile, pour éviter les obstacles : notamment pour se garer, il y a des capteurs à l'avant et à l'arrière toujours dans le même principe des calculs de distances, c'est de la télémétrie [8].

► En contrôle non destructif.

8. Contrôle non destructif

8.1. Introduction

Le contrôle non destructif (CND) regroupe un ensemble de méthodes qui ont pour but général de contrôler un objet sans le modifier. On peut les classer selon les phénomènes physiques mis en jeu : acoustiques, rayonnements, flux de matière, champs électromagnétiques.

Le métier du CND s'est historiquement construit autour des activités nucléaires (1950-1980), puis celles de l’aéronautique (1980-2000) lorsque les matériaux composites sont apparus. Dernièrement (2000-2010), une nouvelle demande concerne la caractérisation du béton (ouvrages d'art et aussi enceintes de confinement). Ces besoins sont toujours présents, ainsi que de nombreuses autres demandes d’applications industrielles, parfois extrêmement complexes.

(30)

16

Les différentes méthodes de contrôle non destructif ont classiquement deux objectifs différents mais souvent complémentaires : la recherche de défauts macroscopiques à l'échelle de la mesure et la caractérisation globale de matériaux ou de pièces.

Le contrôle non destructif permet de vérifier la qualité du matériau (repérer les discontinuités dans une pièce) sans l’endommager, soit au cours de la production, soit au cours de la maintenance.

Toutes les soudures présentent des défauts. Les défauts ou les discontinuités dont la taille est trop importante sont appelés défauts inacceptables.

Les méthodes utilisées pour les essais non destructifs (END) sont : - Le contrôle visuel.

- Le contrôle par ressuage

- Le contrôle par magnétoscopie

- Le contrôle par radiographie : rayons X (RX) et gammagraphie (γ) - Le contrôle par courant de Foucault

- Le contrôle par ultrasons (US)

8.2. Définition du CND

L’ensemble des techniques et méthodes d’investigation fournissant des informations sur l’état d’intégrité ou la santé d’une pièce, d’un composant, d’une structure industrielle ou d’un matériau, sans les détériorer, est regroupé sous deux appellations principales : Contrôles Non Destructifs (CND) ou encore Essais Non Destructifs (END). L’appellation anglophone Non Destructive Testing (NDT) est la plus courante [9].

9. Les différentes techniques de CND

9 .1. Le contrôle visuel

Le contrôle visuel est une technique essentielle qui donne un aperçu de l’état extérieur d’une pièce. Il est destiné à déceler les défauts tels que les fissures, les inclusions, et le manque de pénétration dans la soudure. Il implique l’utilisation de

(31)

17

gabarits et de calibres. Pour le cas de la soudure, on utilise des loupes, des caméras vidéo, des calibres et des règles graduées [10].

9.2. Les courants de Foucault

Cette méthode de CND (ET : Electromagnetic Testing en anglais) consiste à créer, dans des matériaux conducteurs électriques, des courants induits (courants de Foucault) par un champ magnétique variable, au moyen d'un capteur. Ces courants induits circulent localement dans le matériau (figure 1.6) et ont une distribution spatiale qui dépend du champ magnétique d'excitation, de la géométrie et des caractéristiques de conductivité électrique et de perméabilité magnétique de la pièce examinée. En présence d’une anomalie dans la pièce contrôlée, leur distribution spatiale est perturbée, entraînant ainsi une variation de l'impédance apparente du capteur, qui dépend de la nature de l'anomalie et de sa dimension volumique.

Figure 1.6 : Schéma du principe de la technique CND par courants de Foucault

C’est l’analyse de cette variation d’impédance qui fournit les indications exploitables pour effectuer le contrôle. L'interprétation des signaux recueillis s’effectue par comparaison avec ceux relevés dans un matériau étalon, qui peut être sain ou comportant des anomalies représentatives des phénomènes recherchés.

Cette technique, utilisant des sondes sans contact avec la structure étudiée, a été développée pour principalement détecter des fissures ou de la corrosion pour lesquelles elle présente une forte sensibilité (de l’ordre du µm). Cependant cette méthode est surtout utilisée pour détecter des défauts superficiels car les courants de Foucault ont tendance à se rassembler à la surface des corps conducteurs (effet

(32)

18

de peau). Elle est de plus adaptée aux contrôles de structures cylindriques (barres, tubes) et aux contrôles de surface (tôle). Les courants de Foucault permettent également de déceler les variations de composition d’un alliage et même de mesurer des épaisseurs de revêtements. Il s’agit ainsi d’une méthode présente dans de nombreuses industries mais en particulier dans celles de la fabrication de tubes et de la maintenance de pièces métalliques conductrices [11].

9.3. La magnétoscopie

La magnétoscopie (Magnetic particle Testing, en anglais) est l’une des méthodes incontournables du CND et aussi une des plus anciennes.

Il s’agit d’une méthode largement utilisée dans le domaine du CND qui permet de contrôler des pièces en fer, en fonte, des aciers forgés, des soudures, des tôles, des tubes, etc., toutes sortes de pièces de géométrie simple ou complexe, pourvu que le matériau qui les constitue soit de nature ferromagnétique. Contrairement aux courants de Foucault, elle ne craint pas les effets de bord, et surtout elle ne se limite pas à un contrôle ponctuel. La magnétoscopie fait en effet partie des méthodes dites « globales », qui autorisent l’inspection de l’ensemble d’une pièce en une seule opération. Les contrôles, relativement rapides, s’effectuent aussi bien sur des vis de quelques millimètres de long que sur des vilebrequins de locomotive Diesel électrique ou encore sur des trains d’atterrissage d’avions. La magnétoscopie consiste à aimanter la pièce à contrôler à l’aide d'un champ magnétique suffisamment élevé. En présence d’une discontinuité, les lignes du champ magnétique subissent une distorsion qui génère un « champ de fuite », appelé également « fuite de flux magnétique »

Un produit indicateur (composé d’une poudre magnétique très fine) est appliqué sur la surface à examiner pendant l’aimantation (technique simultanée) ou après aimantation (technique d’aimantation résiduelle). Le produit indicateur coloré et/ou fluorescent est attiré au droit du défaut par les forces magnétiques pour former des indications (figure 1.7).

(33)

19

Figure 1.7 : Schéma du principe de la technique CND par magnétoscopie

Ces indications sont observées, dans des conditions appropriées, soit en lumière blanche (lumière artificielle ou du jour), soit sous rayonnement ultraviolet (UV-A). Les indications sont d’autant mieux détectées qu’elles se situent perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique.

Pour détecter toutes les discontinuités à la surface d’une pièce, il faut effectuer deux aimantations orthogonales l’une par rapport à l’autre. Après contrôle, en fonction des conditions d’utilisation de la pièce, celle-ci peut nécessiter une désaimantation.

Les équipements utilisés pour l’aimantation sont : des aimants permanents, des électroaimants portatifs, des générateurs de courants ou des bancs magnétoscopiques.

La désaimantation des pièces, lorsqu’elle est requise, est effectuée à l’aide d’un démagnétisé ou de tout autre dispositif ou technique appropriés [12].

9.4. Le ressuage

Le ressuage (Penetrant Testing en anglais) est, selon les professionnels, la méthode de CND la plus ancienne car l’une de ses premières utilisations daterait de la fin du XIXème siècle. Cette méthode est par définition la résurgence d’un liquide (ou d’un gaz) d’une discontinuité dans laquelle il s’était préalablement introduit au cours d’une opération d’imprégnation. Prolongement logique de l’examen visuel, cette méthode permet donc de détecter les discontinuités débouchant en surface de la

(34)

20

pièce contrôlée sous forme d’indications colorées ou fluorescentes, observées respectivement sur un fond blanc ou sur un fond noir.

Le ressuage comporte quatre phases (figure 1.8) dont la première consiste à bien nettoyer la pièce à contrôler. En effet la détectabilité des discontinuités est en grande partie conditionnée par la qualité de la préparation des surfaces. Un liquide coloré et/ou fluorescent, appelé « pénétrant », est ensuite appliqué sur la surface à contrôler au cours de la deuxième phase. Il pénètre par capillarité à l’intérieur des défauts (fissures de corrosion, porosités, piqûres, etc.), nécessitant une durée de pénétration avant l’étape suivante.

Durant la troisième phase, l’excès de pénétrant en surface est éliminé par lavage suivi d’un séchage. La surface peut alors être recouverte d’une couche mince de «révélateur» qui adsorbe le pénétrant contenu dans les discontinuités, à la suite de quoi les indications de discontinuités apparaissent sous forme de taches colorées en surface. Ces taches étant plus larges que les discontinuités, il est alors plus simple de localiser ces dernières. Pendant cette quatrième phase, le révélateur fait «ressuer» le pénétrant, ce qui permet d’obtenir un bon contraste avec le pénétrant, facilitant ainsi l’observation visuelle. Le contrôle s’effectue en lumière blanche artificielle ou lumière du jour (ressuage coloré) ou sous rayonnement ultraviolet (UV-A).

Figure 1.8 : Principe du ressuage.

Cette technique permet de détecter des discontinuités ouvertes et débouchâtes en surface sur tous matériaux métalliques, sur de nombreux matériaux minéraux (verre, céramique) et également sur certains matériaux organiques. Malgré la rigueur nécessaire à son utilisation, cette méthode a un faible coût de mise en

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21

œuvre et peut être considérée comme globale car elle peut contrôler toute la surface d’une pièce en une seule opération. [11]

9.5. Ultrasons

9.5.1. Principe de la méthode

Les ultrasons sont des ondes sonores qui se propagent dans les milieux élastiques. Des modifications locales du milieu parcouru (fissures, défaut de compacité, ...) engendrent des perturbations dans la propagation de l'onde. Le contrôle par ultrasons a donc pour principe d'analyser, à l'aide d'instruments de mesure appropriés, les modifications apportées à laprogression des ondes sonores.

Les vitesses de propagation des ondes étant grandes (5850 m/s en onde longitudinale et 3250 m/s en onde transversale pour l'acier) et les distances à contrôler faibles (de quelques dixièmes à quelques centaines de millimètres), les échos de défaut ou de fond sont donc très proches de l'écho d'émission (quelques microsecondes

9.5.2. Méthodes de contrôle

Pour le contrôle non destructif des matériaux par ultrasons, on peut citer deux principales méthodes d’examen : la méthode par transmission et la méthode par écho. La dernière méthode citée est généralement retenue pour les avantages qu’elle présente tels que :

 Localisation précise des défauts.

 Possibilité de n’utiliser qu’un seul traducteur en émission-réception.

 L’accès, à une seule face du matériau à contrôler, est suffisant pour effectuer le contrôle.

a. Méthode par transmission

Cette méthode consiste à placer deux traducteurs de part et d'autre de la pièce à analyser. Le traducteur émetteur émet une onde ultrasonore dans la pièce ; si un défaut existe au sein du matériau, l'onde ultrasonore est y réfléchie sélectivement. Si on place un second traducteur en regard de l’émetteur sur l’autre face de la pièce, et qui sert uniquement de récepteur, onrecueillera une énergie plus faible en présence de défaut.

(36)

22

Cette perte d’énergie est d’autant plus importante que la dimension de l’hétérogénéité est grande. Quand un défaut intercepte le signal, une partie de l’énergie ultrasonore est arrêtée et par conséquent l’énergie parvenant au capteur récepteur est diminuée.

La répartition ponctuelle de la pression acoustique sur la surface du récepteur sera fonction, en quelques sorte, de «l’opacité» du défaut aux ultrasons ; par analogie aux ondes lumineuses, on dit que l’on a l’ombre du défaut projetée sur la surface du récepteur, d’où son appellation : méthode de l’ombre.

En déplaçant un récepteur de petites dimensions, on peut évaluer les dimensions du défaut.

Le contrôle par transmission a été largement utilisé dans les années 50, et a pratiquement disparu dans les années 70 au profit du contrôle par échographie. La diminution du signal peut être la conséquence de nombreux autres phénomènes que des défauts proprement dits : mauvais couplage dans le cas de contrôle par contact, changement d’état de surface du métal, désalignement des palpeurs émetteurs et récepteur, changement de la structure de la pièce,…etc. De plus, quand un défaut est détecté, aucune information sur sa position ne peut être obtenue immédiatement, ce qui est extrêmement gênant dans le cas de l’analyse de nocivité des défauts.

Figure1.9 : Contrôle par transmission

b. Méthode par écho

Cette méthode est la plus utilisée dans le contrôle ultrasonore. Elle est appelée : l’échographie et consiste en un seul traducteur émetteur-récepteur dans le cas où le palpeur est appliqué au contact de la pièce par l’intermédiaire d’un film de couplage.

(37)

23

On excite le palpeur au moyen d’une brève impulsion électrique, à laquelle correspond un premier écho appelé écho d’émission ; le train d’onde progresse dans la pièce et en l’absence de défaut, vient frapper la face arrière de la pièce contrôlée, sur laquelle il est réfléchi. Il refait alors la progression inverse jusqu’au palpeur où il génère un signal électrique correspondant à l’écho de fond. En cas de présence d’un défaut dans l’épaisseur de la pièce, celui-ci, quand il est frappé par la bouffée d’onde ultrasonore, est réfléchi en partie, et pendant que le train d’ondes principal poursuit sa propagation vers le fond, l’onde réfléchie sur le défaut revient vers le palpeur où ellegénère un écho de défaut.

Du point de vue interprétation, tout se passe comme si les faces avant et arrière de la pièce étaient indiquées par les échos d’émission et de fond, et la présence d’un défaut signalé par un écho dont la position sur l’écran entre les deux autres, est proportionnelle à sa profondeur. Il faut noter que ces distances sur l’écran correspondent à des temps de vol, aller-retourde chaque impulsion ultrasonore. En résumé, au lieu de détecter, comme dans le cas précédent l’énergie transmise, on cherchel’énergie réfléchie et on utilise généralement une émission pulsée. Toute variation de cetteénergie correspond à la présence d’un défaut.

Figure 1.10 : Contrôle par écho

9.5.3. Techniques mises en œuvre

Les ultrasons aux fréquences utilisées (1 à 10 MHz), ne se propagent pas dans l’air, il y a une très mauvaise transmission des ondes en présence d’une interface air/solide, et les ultrasons sont très fortement atténués. Pour assurer le passage des ultrasons entre le traducteur et la pièce àcontrôler, il faut placer entre les deux un milieu dit de couplage, qui consiste à diminuer le phénomène de rupture

(38)

24

d’impédance et pour garder la propagation d’énergie transmise sensiblement constante lorsque le traducteur se déplace. Deux techniques existent pour assurer cecouplage : le contrôle par contact et le contrôle en immersion.

9.5.4. Contrôle par contact

Le traducteur est directement placé sur la pièce à contrôler. La liaison acoustique est assuréepar un film de couplage qui est généralement une graisse, une huile ou des gels spéciaux. Cette technique est surtout employée lors du contrôle manuel. Elle ne nécessite qu'un seultransducteur et un appareil de contrôle. Cependant, elle présente deux inconvénients : elle nécessite d'abord l'intervention d'un opérateur qui assure le déplacement du traducteur, deuxièmement, la constante du couplage n'est pas bonne, c'est à dire qu'au cours du contrôle, la qualité du couplage risque d'évoluer et donc la qualité du contrôle.

9.5.5. Contrôle en immersion

Le traducteur est situé à une certaine distance de la pièce, le couplage est assuré par un liquide, habituellement de l’eau. Il peut s’agir :

D’une immersion totale. Le traducteur et la pièce sont entièrement immergés dans une cuve de contrôle.

D’une immersion locale. Le traducteur et la partie de la pièce qui est contrôlée sont reliés entre eux par un volume de liquide, grâce à des dispositifs spéciaux [13].

10. Détection des défauts

La détection des défauts internes par ultrasons est très pratiquée en contrôle de fabrication, en contrôle de recette, en surveillance de structure en service ainsi qu’en maintenance. Le contrôle par ultrasons est une méthode de contrôle originale à cause de sa remarquable sensibilité de l’échographie ultrasonore à la moindre discontinuité ou hétérogénéité interne dans les matériaux, en particulier métalliques. Toutefois, en échographie ultrasonore, le choix des paramètres de sondage et l’interprétation des signaux recueillis ne sont pas toujours aisés et requièrent l’intervention d’un personnel spécialement qualifié.

Localisation des défauts en profondeur : elle est aisée lorsqu’on travaille en

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25

l’écho de défaut peut être noyé dans l’écho d’émission ou d’interface, ce qui peut rendre à la fois la détection et la localisation aléatoires.

La localisation en plan se fera en relation avec le relevé manuel de la position du palpeur. Des équipements d’aide au sondage manuel par recopie du déplacement du palpeur permettent désormais l’utilisation des présentations et favorise le dépouillement et la présentation des résultats.

Dimensionnement des défauts : il présente une préoccupation légitime du

contrôleur en vue de les relier à des critères de nocivité technologique faisant en général l’objet d’une procédure normalisée ou spécifique. C’est un problème délicat auquel on peut toutefois donner des solutions pratiques simples. Deux cas se présentent en théorie, selon que le champ du palpeur est censé être supérieur ou inférieur à la dimension moyenne du défaut.

Dans le premier cas, tout le défaut est éclairé par le faisceau et l’on peut relier l’amplitude de l’écho de retour à la dimension du défaut à l’aide de diagrammes. Cette méthode, appelée méthode AVG, est intéressante mais délicate d’emploi, surtout lorsque le défaut à dimensionner présente une orientation et une morphologie très éloignées des cas théoriques.

Lorsque le défaut est plus grand que le faisceau, ce que l’on peut parfois volontairement obtenir en utilisant l’étroit champ d’un palpeur focalisé, on trace son contour apparent, soit en repérant et en quantifiant le basculement entre écho de fond et écho de défaut, soit en utilisant la règle « des –6 dB » qui prend en compte un rapport ½ entre l’amplitude maximale de l’écho de défaut et celle obtenue lorsque les bords du défaut occultent environ à moitié la section du faisceau ultrasonore. []

11. Champ d’application du contrôle non destructif

Les secteurs où le CND présente un intérêt majeur peuvent être résumés en[14] :  Industries de production : métaux, polymères, céramiques, verres,

composites à matrices organiques, métalliques ou céramiques, structures complexes, pièces de fonderie, ...

 Industries du transport : ferroviaire, automobile, naval, aéronautique, aérospatial

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26

 Industries énergétiques : stockage et transport de l'eau, du gaz, du pétrole, ...

 Génie Civil : ponts et chaussées béton, béton armé, bâtiments divers, centrales nucléaires, Etat des routes, ...

 Industries du bois et du papier : planches, meubles, constructions, cartons, ...

 Médical : contrôle de tout le corps humain (poumons, dents, par échographie, radiographie, ...

12. Conclusion

La science des ultrasons est aujourd'hui le fruit de l'union de l'électronique moderne et de l'acoustique. Grace aux caractéristiques des ultrasons, on peut avoir beaucoup d'informations sur les propriétés des matériaux. Dans ce chapitre, on a donné une vue générale sur les notions de base de la propagation ultrasonore afin de mettre en évidence leur utilisation dans le contrôle non destructif des matériaux. Le contrôle par ultrasons est fréquemment utilisé car il présente de nombreux avantages tels que la facilité de mise en œuvre, la possibilité de travailler sur une seule face de la pièce à contrôler (pas besoin d'un accès à la deuxième face), et la capacité à traverser d'importantes épaisseurs de matière en fonction de la fréquence de travail. De plus, l'existence de relations entre la matière de propagation des ultrasons et les caractéristiques du matériau permet sa caractérisation. L'utilisation des ultrasons offre donc la possibilité, sans aucune détérioration.

(41)

Méthodes de traitement du signal

Théorie et Simulation

2

1

Chapitre

Chapitre

1. Introduction

2. Quelques techniques de traitement du signal

3. Simulation et Résultats

(42)

26

1. Introduction

Un signal est la représentation physique de l’information, qu’il convoie de sa source à sa destination. C’est une expression d’un phénomène qui peut être mesurable par un appareil de mesure. Bien que la plupart des signaux soient des grandeurs électriques (généralement courant, tension, champ, …).

Un bruit correspond à tout phénomène perturbateur gênant la transmission ou l'interprétation d'un signal.

Le traitement du signal est une discipline indispensable de nos jours. Il a pour objet l'élaboration ou l'interprétation des signaux porteurs d'informations. Son but est donc de réussir à extraire un maximum d'informations utiles sur un signal perturbé par du bruit en s'appuyant sur les ressources de l'électronique et de l'informatique.

2. Quelques techniques de traitement du signal

Les essais non destructifs basés essentiellement sur des expériences pratiques, à base d’appareils électriques ou électroniques, pour déceler les secrets de la matière (caractérisation des matériaux et recherche des défauts s’ils existent).

Les techniques de traitement du signal étudiées dans ce chapitre sont :

 Transformée de Hilbert ;

 Transformée de Fourrier ;

 Techniques de la distribution d’énergie dans plan Temps fréquence (les classes de Cohen), tel que : Distribution de Wigner Ville, Distribution de Choi Williams

 Transformée en ondelettes Continue (Analyse temps-fréquence).

2.1. Transformée de Hilbert

En mathématiques et en traitement du signal, la transformation de Hilbert, ici notée

Ⱨ, d’une fonction de la variable réelle est une transformation linéaire qui permet

d'étendre un signal réel dans le domaine complexe, de sorte qu'il vérifie les équations de Cauchy-Riemann.

Cette transformation tient son nom du mathématicien David Hilbert.

(43)

27

ℋ(𝑓)(𝑦) = 1 𝜋∫ 𝑓(𝑥) 𝑥−𝑦 +∞ −∞ 𝑑𝑥 (2.1)

La transformée de Hilbert intervient notamment en théorie du signal et on peut en donner un sens plus général dans la théorie des distributions [15].

Formulaire

cos(2𝜋𝑢₀𝑡) ↦ + sin(2𝜋𝑢₀𝑡) (2.2) sin( 2𝜋𝑢₀𝑡) ↦ − cos(2𝜋𝑢₀𝑡) (2.3)

sin(𝑡)/𝑡 ↦ [1 − cos(𝑡)]/𝑡 (2.4)

1 / (1+t²) ↦1/ (1+t²) (2.5) exp (−𝛼|𝑡| cos(2𝜋𝑢0𝑡) ↦ exp (−𝛼|𝑡|) sin(2𝜋𝑢₀𝑡) (2.6)

2.1.1. Utilisation de la Transformée d’Hilbert dans la détection d’enveloppe

La méthode analytique pour la détection d’enveloppe d’un signal x(t), sans l’utilisation d’un filtre RC, est basée sur l’utilisation de la transformée d’Hilbert. Cette méthode est utilisée dans le traitement des échos en imagerie ultrasonore par des logiciels d’analyse implantés dans les microordinateurs reliés aux systèmes d’expérimentation du contrôle non destructif.

L’obtention de l’enveloppe du signal x(t), se fait après le calcul du signal analytique

z(t) (appelé aussi composite) :

𝑍(𝑡) = 𝑥(𝑡) + 𝑗𝑦(𝑡) (2.7) y(t) Étant la transformée d’Hilbert du signal x(t). Nous remarquerons par la suite que z(t) reproduit fidèlement l’enveloppe du signal x(t). Dans le système utilisé, le signal x(t) sera échantillonné avant tout traitement par l’ordinateur, il ne sera donc plus question du signal continu ou de transformée de Fourier, mais de signal discret x[k], et de la transformée de Fourier discrète sur une durée N :

TFD{x[k]} = X[K]/N (2.8)

2.1.2. Utilité de la détection d’enveloppe en CND

L’enveloppe d’un écho ultrasonore informe sur le temps de vol de l’onde ultrasonore dans la pièce à contrôler. Ce dernier est utile pour déterminer plusieurs paramètres de la matière en question, comme le module de Young et le coefficient de Poisson.

(44)

28

Comme il permet, de déterminer avec précision l’épaisseur de la pièce, la vitesse de propagation, la position des défauts par rapport aux dimensions de la pièce dans le cas où cette dernière présente des défauts, et ainsi que les amplitudes des échos souhaités, avec une précision mieux appréciable qu’à l’œil nu.

On peut utiliser la transformée de Hilbert pour calculer le temps de décalage entre deux signaux. Il s’agit d’étudier la transformée de Hilbert de la réponse impulsionnelle du filtre propagatif. Dans le cas d’un retard pur entre deux signaux, la réponse impulsionnelle est de la forme [16] :

0

(𝑡) = 𝛿(𝑡 − ∆𝑡)

(2.9) Par conséquent, la transformée de Hilbert (TH) n’est autre que :

𝑇𝐻{ℎ

0

(𝑡)} =

1

𝜋(𝑡−∆𝑡)

(2.10)

Figure 2.1 : Calcul du temps de décalage entre deux signaux

2.2. Transformée de Fourier (TF)

La transformée de Fourier (TF) est un outil permettant de connaître le comportement fréquentiel d'un signal. La TF permet de décomposer un signal en une série de sinusoïdes à différentes fréquences. La fonction analysée peut être comparée à une partition dont les sinusoïdes seraient les différentes notes musicales.

Les formules d’analyse et de synthèse de la transformée de Fourier d’une fonction intégrable sont données par :

Figure

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