HAL Id: jpa-00230453
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Submitted on 1 Jan 1990
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MODÉLISATION NUMÉRIQUE DU SIGNAL ÉCHOGRAPHIQUE OBTENU SUR UN MILIEU
MULTICOUCHE ATTÉNUANT
N. Mercier, S. Castelli, J. de Belleval, P. Lanceleur
To cite this version:
N. Mercier, S. Castelli, J. de Belleval, P. Lanceleur. MODÉLISATION NUMÉRIQUE DU SIG-
NAL ÉCHOGRAPHIQUE OBTENU SUR UN MILIEU MULTICOUCHE ATTÉNUANT. Journal de
Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-651-C2-654. �10.1051/jphyscol:19902151�. �jpa-00230453�
MOD~LISATION
NUMERIQUE
DU SIGNALECHOGRAPHIQUE
OBTENU SUR UN MILIEU MULTICOUCHEATTENUANT
N. MERCIER, S. CASTELLI, J.F. DE BELLEVAL et P. LANCELEUR
Division Acoustique, Université de Compiègne, BP. 649, F-60206 Compiègne Cedex, France
Résumé
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Cette étude a pour but de modéliser la propagation d'une onde ultrasonore réfléchie sur un milieu multicouche simulant un matériau composite de type carbone- époxy dans lequel peuvent être insérés un délaminage, de la porosité concentrée ou répartie. Le principe du modèle est basé sur le calcul du coefficient de réflexion d'une onde plane monochromatique incidente multiplié, pour chaque fréquence, a r l a réponse spectrale du transducteur afin d'obtenir le signal échographique. Les résugats présentés sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement.Abstract
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The aim of this study is the modelization of the propagation of an ultrasonic wave reflected by a multilayer medium simulating a composite structure, such as carbon- expoxy plates, into which different kinds of simulated flaws like delaminations, conceptrated or spread orosity can be inserted. The principle of this mode1 is based on theP
calculation of the ref ection coefficient for an incident monochromatic plane wave multiplied, for each frequency, by the spectral response of the transducter in order to obtain the echographic signal. The resulrs presented are compared to those obtained experimentally.
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INTRODUCTIONDu fait de leurs propriétés mécaniques (rigidité, résistance) et de leur faible poids, les matériaux composites sont largement utilisés dans le domaine de l'Aéronautique. Cependant, leur nature (inhomo~ènes et fortement anisotro es) et les techniques particulières de transformation et dyelaboration des structures facietent l'apparition de défauts multiples dans ces matériaux et il est important d'en connaître la nocivité. En dehors des techniques de contrôle globales performantes mais d'applications limitées comme par exemple la thermographie e t l'holographie, le moyen de contrôle le plus largement utilisé est le contrôle ar ultrasons souvent associé à des dispositifs d'analyse d'image. A la Division Acoustique de P>Université de Compiègne, nous nous sommes intéressés à des composites de type carbone- époxy. Ils sont composés de nap es de f i b r e s d e carbone de 8 microns de diamètje noyées dans
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une matrice de résine époxy. C aque couche unidirectionnelle est orientée à 90 par rapport à la couche adjacente. Les couches ou plis ont une épaisseur de 0,13mm environ.
Nos études ont été orientées vers trois types de problèmes :
-identification de deux types de défauts donnant des signaux échographiques relativement semblables l'un étant un microdélaminage, l'autre une porosité concentrée sur quelques plis,
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la distinction entre porosité concentrée et porosité répartie,-
la mesure de l'atténuation locale dans des plaques épaisses.Les éprouvettes sur lesquelles nous avons travaillé nous ont été fournies par le Laboratoire Central de l'Aérospatiale. Les délaminages ont été simulés par l'insertion de film de téflon de 0,02mm d'épaisseur et les porosités concentrées ont été obtenues par vieillissement prématuré des plis avant compactage. Pour effectuer cette étude, nous avons utilisé une méthode échographique pouvant fournir une information locale. Cependant l'interprétation des résultats obtenus n'est pas toujours aisée.
Les problèmes rencontrés sont liés à :
- l a présence d'un niveau élevé de bruit de structure provenant des réflexions sur les inhomogénéités du matériau,
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l'atténuation importante des ultrasons. Elle est de l'ordre de l l d ~ / c m pour un matériau sain à SMHz et peut atteindre 30dB/cm pour un matériau comportant 1% de porosité. L'atténuation variant avec la fréquence, la réponse spectrale échographique d'un défaut est fortement dépendante de la profondeur du defaut dans le matériau. Ces difficultés nous ont amené à extraire l'information recherchée à partir des représentations conjointes tem s fréquence /1,2,3/. Par ailleurs, pour mieux comprendre les phénomènes observés, un m o d è g numérique a été développé.Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19902151
COLLOQUE DE PHYSIQUE
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DESCRIPTION DU MODELECe modèle permet de calculer le signal échographique obtenu sous incidence normale, sur un milieu formé d'une succession de couches élastiques. Pour cela, on calcule l'amplitude e t l a phase du coefficient de réflexion d'une onde monochromatique p l a n e réfléchie sur le milieu multicouche à partir d e l'impédance ramenée à l'interface du materiau. Celle-ci est obtenue par une formule de récurrence entre l'impédance ramenée à l'interface n e n fonction d e celle à l'interface n-1.
Le coefficient de réflexion est multiplié, p o u r chaque fréquence, par la réponse spectrale en amplitude et phase du transducteur utilise lors des expériences. L e signal échographique est ensuite obtenu par transformée de Fourier inverse. Chaque plis du matériau est modélisé par deux couches dont les caractéristiques (épaisseur, impédance acoustique spécifique, vitesse de propagation des ultrasons) sont présentés dans le tableau 1.
Tableau 1
La première simule une couche contenant des fibres de carbone et l a seconde une couche d'époxy pure. Le logiciel permet de modifier les caractéristiques d'une couche ou d.e plusieurs couches afin de simuler un délaminage, une porosité concentrée sur quelques plis ou de l a porosité répartie. Le délaminage est simulé par l'introduction d'une couche supplémentaire située entre deux couches d'époxy, tandis que la porosité est simulée en modifiant les caractéristiques de certaines couches de résine. Le logiciel permet, de plus, de prendre e n compte l'atténuation des ultrasons dans les diverses couches constituant le matériau notamment dans les couches d'époxy.
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PRESENTATION DES RESULTATSLes résultats présentés sont obtenus a v e c u n transducteur focalisé d e 12,7mm de diamètre, d e 75mm de distance focale dans l'eau e t de lOMHz d e fréquence nominale. L e choix d'un transducteur focalisé provient du fait que le délaminage est simulé expérimentalement par un film d e téflon, de forme rectangulaire dont les dimensicns sont lOmm x Imm. Il est nécessaire que celui-ci intercepte une partie non négligeable du faisceau pour que son écho ne soit pas noyé dans les échos de structure provenant des réflexions multiples sur les couches du matériau.
L a Figure 1 présente les résultats issus du modèle pour un composite sain formé de 42 lis de
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structure périodique. O n observe une décroissance rapide, quasi exponentielle, des é c os de structure c e qui n'est pas le cas expérimentalement. P a r ailleurs, si on change de transducteur, on observe une forte modification de l'amplitude de l'écho de fond ainsi que des échos de structure par rapport à l'amplitude de l'écho d'interface. E n fait, l a structure du matériau n'est pas rigoureusement périodique. E n effet, on observe sur micrographie, une variation des épaisseurs des couches constituant le matériau. Pour évaluer l'influence de ce phénomène, les épaisseurs de 6 couches de colle, réparties dans l'épaisseur du matériau, ont é t é modifiées (Figure 3). On observe alors une forte croissance des échos de structure dans toute l'épaisseur du matériau accompagnée d'une rupture de l a périodicité ce qui est plus conforme à l a réalité.
La Figure 4 présente les résultats expérimentaux obtenus dans le cas où un délaminage de 0,02mm d'épaisseur est présent au centre du matériau. L a Figure 5 présente les résultats correspondants issus du modèle dans le uel une atténuation de 0.08 Np/cm/MHz a é t é prise en
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compte. L'impédance acoustique spéci ique du matériau qui constitue l a couche simulant le délaminage est de 1,6 MRayls e t lavitesse de propagation des ultrasons dans cette couche est de 1800m/s. On constate qu'il existe expérimentalement une inversion de phase e n t r e l'écho d û au délaminage e t l'écho d'interface. Ce phénomène est moins sensible numériquement. Les Figures 6 e t 7 présentent les résultats obtenus pour une porosité concentrée sur 12 plis situées au centre du matériau. Elle a é t é modélisée en modifiant l'impédance ( Z = l M R a y l s ) et la vitesse de propagation des ultrasons (v = 1500m/s) des 12 couches d'époxy correspondantes. On observe, e n
pour le matériau sain (Fig. 8 et 9).
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CONCLUSIONNous avons mis au point un modèle numérique de pro agation des ultrasons dans un matériau
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composite carbone-époxy pour mieux comprendre les p énomènes observés expérimentalement.
Ce modèle donne des resultats qualitativement satisfaisants. La variation des paramètres (impédances, vitesses de propagation, atténuation, épaisseurs des couches) permet d'ajuster le modèle à l'expérience.
Nous envisageons, par la suite, d'appliquer à ce modèle les méthodes de traitement de signal développées par ailleurs et des méthodes qui permettront une mesure de l'atténuation locale.
REFERENCES
/1/ DUMOULIN J.P., Thèse de doctorat, U.T.C. 12/3/86
/2/ DUMOULIN J.P. and DE BELLEVAL J.F., Ultrasonics International (1985) 769.
/3/ DUMOULIN J.P. and DE BELLEVAL J.F., Nato Asi on U.S. Meth. in Eval. of Inhomog.
Mat. (Oct. 85)
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COLLOQUE DE PHYSIQUE
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