Summary:

Le contrôle-qualité de matériaux par méthodes acoustiques sans référence suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI) au vu de la variabilité des conditions environnementales et opérationnelles. Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode de détection synchrone/non synchrone de défaut soumis à des sollicitations basses fréquences, permettant une localisation sans état hypothétique ‘sans défaut’. Une série de tests ‘pompe-sonde’ a été menée sur une plaque d’aluminium. Un pot vibrant est fixé sur cette dernière afin de la mettre en vibration à une fréquence de quelques Hz. Une bille solidaire d’une lame en acier est pressée contre la plaque (contact Hertzien) et joue le rôle d’un défaut (reproduisant ainsi un contact tel qu’on peut le rencontrer par exemple entre deux fronts d’une fissure). Un réseau de transducteurs piézoélectriques est utilisé pour faire l’imagerie ultrasonore. Le principe de la détection repose sur la modulation du contact entre la plaque et la bille par la vibration pompe basse fréquence. Des mesures ultrasonores répétées (onde sonde) permettent ainsi d’interroger le défaut dans plusieurs états de sollicitation. Un algorithme d’imagerie différentielle permet alors de mettre en évidence et localiser le défaut. Deux modes de détection ont été testés : 1) mode synchrone entre la pompe et les signaux ultrasonores et 2) mode non synchrone. Dans ce dernier cas, une correction par des coefficients de pondération ad-hoc permet d’améliorer la détection. Une étude paramétrique a été également réalisée en reliant le contraste des images en fonction de la section de diffusion de défaut. Ceci a permis de définir un seuil minimal de détection d’un défaut de type contact variable. L’application de cette méthode à l’imagerie passive par corrélation de bruit a donné des résultats encourageants, à condition d’augmenter la densité du réseau de capteurs ultrasonores. Enfin, des simulations numériques en 2D, modélisant l’interaction d’une onde ultrasonore avec un contact de frottement type ‘Hertz-Mindlin’ ont été réalisées afin de comparer le défaut actuel (bille pressée sur la plaque) avec un défaut réaliste (une fissure).

Abstract:

Material quality control by acoustic methods without reference is nowadays of great interest in integrated health control (IHC) due to the variability of environmental and operational conditions. In this manuscript, we propose a method for synchronous/non-synchronous detection of defects subjected to low-frequency solicitations, allowing a localization without hypothetical ‘defect-free’ state. A series of ‘pump-probe’ tests has been conducted on an aluminum plate. A vibrating pot is fixed on the latter in order to put it in vibration at a frequency of a few Hz. A ball attached to a steel blade is pressed against the plate (Hertzian contact) and plays the role of a defect (thus reproducing a contact such as one can meet it for example between two faces of a crack). An array of piezoelectric transducers is used to perform the ultrasonic imaging. The principle of the detection is based on the modulation of the contact between the plate and the ball by the low frequency pump vibration. Repeated ultrasonic measurements (probe wave) allow to interrogate the defect in several states of stress. A differential imaging algorithm is then used to highlight and locate the defect. Two detection modes have been tested: 1) synchronous mode between the pump and the ultrasonic signals and 2) non-synchronous mode. In this last case, a correction by ad-hoc weighting coefficients allows to improve the detection. A parametric study was also performed by relating the contrast of the images as a function of the defect diffusion section. This allowed to define a minimum threshold of detection of a variable contact type defect. The application of this method to passive imaging by noise correlation gave encouraging results, provided that the density of the ultrasonic sensor network is increased. Finally, 2D numerical simulations modeling the interaction of an ultrasonic wave with a ‘Hertz-Mindlin’ type friction contact were performed in order to compare the actual defect (ball pressed on the plate) with a realistic defect (a crack).