EP2158458A1 - Procédé et dispositif de détection d'eau dans une structure alvéolaire - Google Patents

Procédé et dispositif de détection d'eau dans une structure alvéolaire

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Publication number
EP2158458A1
EP2158458A1 EP08760380A EP08760380A EP2158458A1 EP 2158458 A1 EP2158458 A1 EP 2158458A1 EP 08760380 A EP08760380 A EP 08760380A EP 08760380 A EP08760380 A EP 08760380A EP 2158458 A1 EP2158458 A1 EP 2158458A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wave
frequency
liquid
excitation
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08760380A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jacques David
Tan-Hoa Vuong
Bastien Roucaries
Bertrand Nogarede
Raymond Crampagne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Original Assignee
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National Polytechnique de Toulouse INPT filed Critical Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
Publication of EP2158458A1 publication Critical patent/EP2158458A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04—Investigating moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Definitions

  • the present invention belongs to the field of non-destructive testing of structures.
  • the invention relates to the detection and localization of liquids in internal cavities of structures.
  • Such structural parts take very varied shapes and compositions of which one of the most well-known forms corresponds to honeycomb cellular core sandwich structures.
  • a honeycomb core sandwich structure as shown in section in FIG. 1, generally comprises a core 2 formed of hollow cells 12, a priori containing air, having on each of its faces a lower face and a face superior, a coating, respectively 4, 3, solid and resistant.
  • This type of structure because of its very favorable stiffness-resistance / weight ratio is particularly used in aeronautical constructions.
  • the coatings 3, 4 of the sandwich structure are made of composite materials comprising fibers, fiberglass, aramid, carbon ..., held in a hardened resin and the cells hollow portions 12 of the alveolar core 2 are formed by means of walls made of a shaped sheet material to delimit the cells in the form of a most often regular network.
  • this network consists of cells of hexagonal sections, the expression "honeycomb" is generally used.
  • each cell constitutes a substantially closed and sealed cavity.
  • a disadvantage of this type of structures is that the hollow cells are likely to fill more or less water, without this water can escape naturally, which has the effect on the one hand unnecessarily weigh down the structure, whose low mass is sought, and on the other hand to reduce by various physico-chemical actions the strength of the structure by altering the proper mechanical properties of the materials involved in the realization of the structure or by altering the quality of the structures. connections between the different assembled elements, in particular between the honeycomb material and the coatings.
  • Ultrasound methods based on this principle are particularly well suited to dense and continuous environments.
  • the transmission of the acoustic wave is difficult and does not discriminate with precision necessary the presence of liquid.
  • thermography of a part subjected to temperature variations.
  • the zones corresponding to a presence of water change in temperature less rapidly than the zones without water because of the differences in thermal inertia between the water and the materials of the room, an image in thermography being able to detect the differences in surface temperatures and therefore in areas containing water.
  • the presence of water in the cells is detected by means of electromagnetic microwaves whose propagation is modified in the presence of water.
  • the carbon of the coatings induces high losses and the signal-to-noise ratio is extremely unfavorable to the detection.
  • the coating is electrically conductive and prevents any dielectric type measurement.
  • the solution described in the patent published under the number FR2880424 describes a detection system using electromagnetic microwaves having antennas placed in the cellular material of a sandwich panel between the two coatings.
  • This solution which is applicable in the case of carbon fiber coatings, however, requires modifying the parts to install the antennas which leads to more complex, more fragile and heavier parts, and which makes the solution difficult to use on the many existing parts or parts that would not have been provided with these antennas during their manufacture for reasons of cost or other reasons.
  • the presence of a bronze grid prevents any type of measurement of the level of fluid in the cavities by a radar device (in the field of radio frequencies, microwaves, and millimeters) because the bronze mesh reflects a much of the radio wave in these frequency domains.
  • a radar device in the field of radio frequencies, microwaves, and millimeters
  • the present invention specifically aims to overcome the difficulties encountered by the prior art of detecting a liquid in cavities of a structure by coupling a vibration excitation of the structure in the acoustic field with an electromagnetic detection of the vibratory response of the structure.
  • a reflected electromagnetic wave reflection of the incident wave on elements of the structure, is analyzed to deduce the presence or absence of liquid in cavities, the reflected wave having modified characteristics depending on whether liquid is present. or not in cavities.
  • a component of the excitation wave is generated by a substantially sinusoidal vibratory excitation of frequency fm, preferably of the acoustic domain, capable of triggering an induced oscillation of the surface of the liquid in a cavity at a subharmonic frequency of the excitation frequency fm.
  • a component of the excitation wave is also generated by a vibratory excitation of frequency fm2 offset with respect to the frequency fm, which makes it possible to create on the surface of the liquid a stationary wave pattern and increases the vibratory response of the liquid with respect to the response of the structure.
  • the frequency of one of the components of the excitation wave is modulated and more particularly is modulated by white or pseudo-white noise.
  • the method makes it possible, with a high signal-to-noise ratio, to deduce the presence of liquid from the detection of predefined spectral lines in the spectrum of the reflected wave.
  • the presence of liquid is deduced from the detection of at least one predefined spectral line in the spectrum of the reflected wave corresponding to a subharmonic of frequency fm / 2 and or fm2 / 2 of an excitation frequency. fm and or fm2 respectively.
  • a device adapted to implement the method for detecting the presence of liquid in a cavity of a structure comprises:
  • first generation means in the structure of at least one vibrational mechanical excitation wave
  • fourth processing and / or display means capable of highlighting the presence in a spectrum of the reflected wave of at least one spectral line characteristic of a wave induced on a surface of a liquid contained in a cavity of the structure by the mechanical excitation wave.
  • the probe comprises a torus using a piezoelectric technology able to vibrate mechanically to create the mechanical excitation wave at a frequency fm or at a frequency fm and at a frequency fm2 offset compared to the frequency fm.
  • the hollow part of the torus is exploited to arrange:
  • Figure la a block diagram of the method of the invention and a device according to the invention
  • FIG. 1a an illustration of an example of reflected wave spectrum observed in a structure in the absence of liquid with an assembly of the type of FIG. 1a, the frequencies corresponding to the abscissa scale and the power corresponding to the scale ordinates;
  • Figure 2b an illustration under the same conditions as for the figure
  • FIG. 2a of an example of reflected wave spectrum observed in a structure in the presence of liquid in a cavity, the frequencies corresponding to the abscissa scale and the power corresponding to the ordinate scale;
  • Figure 3 an illustration of the spectrum of the reflected wave in the case of a dual frequency mounting corresponding to the diagram of Figure Ib;
  • Figure 4 an illustration of the spectrum of the reflected wave in the case of a two-frequency circuit corresponding to the diagram of Figure Ib in which one of the frequencies is modulated;
  • Figure 5 a schematic illustration of a probe grouping acoustic and radar functions for a device according to the invention.
  • the present invention applies to the detection of the presence of a liquid 11, for example water, in a structure 1 comprising at least one cavity 12.
  • said structure comprising at least one cavity is represented by a structure 1 of a panel, substantially plane to the scale of a zone considered, having a cellular core 2 and coatings, an upper coating 3 and a lower coating 4, on the faces of the cellular core 2.
  • Each cell 12 of the core closed at its ends by the upper and lower coatings, is a cavity.
  • the panel 1 comprises in practice a multitude of cavities 12 which makes the problem of the detection of a liquid in certain cavities more complex in practice since it is then necessary to locate the cavity (s) in which ) the liquid is present.
  • a panel having such a structure in which the cells have regular hexagonal sections is generally referred to as a honeycomb core sandwich panel.
  • the coatings 3, 4 of the panel considered are made of a composite material formed of fibers held in a hardened resin, for example glass fibers or carbon fibers held by a polymerized aramid resin, and the walls forming the cells of the honeycomb are made of a composite material, a priori less expensive than the materials based on carbon fibers, for example based on glass fibers or based on thin sheets of an organic material.
  • the structure 1 to be inspected having multiple cavities 12, some of which may contain a liquid 11, is excited mechanically vibration.
  • the mechanical excitation is preferably performed by means of a sinusoidal excitation of frequency fm belonging to the field of acoustic frequencies.
  • the mechanical excitation of the structure 1 to be inspected is carried out in such a way that an acoustic wave 14, called the excitation wave, propagates in the structure 1.
  • the excitation wave 14 When the excitation wave 14 reaches a cell 12 containing a liquid 11, for example water in liquid form, said wave creates at the level of the free surface of the water by a non-linear effect a new wave 16, so-called induced wave, also known as the Faraday wave.
  • a liquid 11 for example water in liquid form
  • the induced wave 16 is mainly a sub-harmonic Vi of the excitation wave, that is to say that said induced wave is a frequency wave f / n / 2 that only fluid phenomena can generate.
  • the structure 1, in an area in which the presence of liquid is sought, is subjected to an electromagnetic wave 17.
  • the electromagnetic wave 17 is preferably a radar wave maintained the type of waves generated by means of a radar CW (continous waves).
  • the electromagnetic wave 17, called the incident wave is chosen with a frequency adapted to the materials used in the composition of the honeycomb structure and in particular as a function of the material of the coating lying between the source of the electromagnetic wave and the possible liquid in front of be detected, so that said coating introduces only an attenuation reasonable, for example ⁇ 120 dB.
  • the honeycomb structure 1 when the honeycomb structure 1 is covered, on a face crossed by the incident wave 17 and / or a reflected wave to be observed, with electromagnetic protection, for example a conductive wire, it will be taken care in the choice of the frequency of the incident wave 17 to avoid that said incident frequency, and also expected frequencies of a reflected wave, correspond to a forbidden frequency band for which the attenuation would be maximum.
  • electromagnetic protection for example a conductive wire
  • the choice of the frequency of the incident wave further results from a compromise between, on the one hand, the maintenance of the losses in the materials of the structure 1 to an acceptable level for the measurement means implemented, the losses, which depend on the material, increasing as the frequency increases, and on the other hand a desired spatial sensitivity, the resolution being better when the frequency is increased.
  • the incident wave 17 is reflected by the various elements present on its path and in particular by the free surface of the liquid possibly present in a cell to form a reflected wave 18, modulated by the mechanical vibrations of said different elements.
  • the wave reflected 18 by the surface of said liquid, subjected to the frequency of the mechanical excitation fm is modulated not only by the vibrations of the structure related to the wave excitation 14 at the frequency fm, ie vibrations of frequencies fm and multiple harmonics of fm, but also by those related to the induced wave
  • a processing of a measurement of the reflected wave 18 makes it possible to extract a signal useful for identifying a presence or absence of liquid in the cell or cells subjected to the incident wave 17.
  • This processing includes an analysis of the baseband spectrum of the reflected electromagnetic wave 18 to detect a possible subharmonic of the excitation frequency.
  • An advantage of the process lies in the fact that, on the one hand, the electromagnetic wave, unlike the acoustic waves, is insensitive to the presence of acoustic gaps characteristic of the cellular materials, and that on the other hand the consequences of the original excitation at the frequency fm, as well as higher order harmonics (2, 3, 4 7) due to the nonlinearities inside the solids constituting the structure, can be filtered efficiently because they are clearly separated in the spectrum of the sought frequencies of the induced wave.
  • the following equations illustrate how the reflected wave 18 is influenced by the presence of a liquid in a cell.
  • the incident wave 17 is characterized by an emitted electromagnetic signal e (t), for example a sinusoidal signal of frequency fe and amplitude Ee, the signal is expressed:
  • the reflected wave 18 is characterized by a signal s (t).
  • the signal s Q (t) reflected by a stationary object corresponds to the signal e (t) transmitted out of phase as a function of the electrical distance to the object T 1 is:
  • the received signal is of the form:
  • This expression corresponds to a symmetrical line spectrum centered on the frequency fe.
  • Each line is spaced from a neighboring line by a frequency fm.
  • the signal will be a priori reflected several times, in particular at the cavities.
  • the spectrum of this signal corresponds again to a line spectrum symmetrical and centered on the frequency fe each line of which is spaced from a neighboring line by a distance fm.
  • the signal corresponding to the reflected wave contains a new term, related to the presence of the induced wave 16 on the surface of the liquid 11, of the form:
  • the spectrum of this signal corresponds to a line spectrum symmetrical and centered on the frequency fe, each line of which is spaced from a neighboring line by a distance fm / 2.
  • FIG. 2a illustrates an example of a spectrum observed experimentally in the absence of a liquid in the cells and that of FIG. 2b an example of a spectrum in the presence of water in cells of a panel of a sandwich structure Honeycomb.
  • the structure 1 in order to improve the sensitivity of the liquid detection, the structure 1 is excited in mechanical vibration by means of two frequencies, the frequency fm and a second frequency fm2, said two frequencies being close to one another.
  • the frequency fm the frequency of a surface of a liquid using two frequencies.
  • the mechanical excitation at the frequency fm2 generates a wave 42 which propagates in the material 1 and which interferes with the mechanical excitation wave 14 at the frequency fm to create an interference network on the surface of the liquid 11 when a cell 12 contains such a liquid.
  • the mechanical excitation signal corresponding to the frequency fm2 may correspond to a pure or modulated sinusoidal signal.
  • FIG. 3 schematizes in this case a spectrum received in baseband by the electromagnetic sensor.
  • the excitation signal corresponding to the frequency fm2 is modulated by white or pseudo-white noise (M-sequence) making it possible to use autocorrelated signal processing methods which make it possible to improve the signal-to-signal ratio. noise.
  • M-sequence white or pseudo-white noise
  • the modulation by an M-sequence is able to excite non-linear modes of the structure or the fluid (parasite phenomenon of the mixing type). Nevertheless, if the mechanical excitation frequencies are chosen so that said frequencies are close to each other, that is to say that f 2 fm / 2, the bands due to the mixing of the frequencies do not cover the harmonic Vi 1 which makes it possible to determine the acoustic transfer function of the material around the harmonic Vi.
  • the parasitic properties of the mixing type will advantageously be used to determine the mechanical properties, that is to say non-fluid, of the part.
  • Figure 4 illustrates these phenomena by a schematic representation of a spectrum of mechanical frequencies of a part.
  • a frequency 303 corresponds to the first mechanical vibration at the fine frequency, another frequency 302 to the second mechanical vibration at the frequency fm2 which is modulated by an M-sequence 301.
  • a mixing product 305 characterized by +/- m * fml +/- n * fm2, gives the mechanical transfer function around the zero frequency. This is due to the fact that by mixing the white noise is transferred to the level of the zero frequency and undergoes a time convolution by the mechanical transfer function of the structure 1.
  • the measured signal may under certain circumstances have spectral lines 308, 309 outside the spectrum directly related to the mechanical excitation.
  • Such lines are due to the separation of small drops of the free surface of the liquid in the cavity, small drops whose kinetics is specific to each drop.
  • Such lines 308, 309 are characteristic and are advantageously used to improve the detection of the presence of liquid.
  • the analysis of the spectrum of the reflected wave 18 makes it possible to detect, because of the presence of certain lines 306, 307, 304, 305, 308 in said spectrum, the presence of a liquid 11 in cavities 12.
  • fourth processing and display means capable of highlighting the presence in a spectrum of the reflected wave of at least one spectral line characteristic of an induced wave on a surface of a liquid contained in a cavity 12 of the structure 1 by the mechanical excitation wave 14, 42.
  • the first means advantageously comprise an actuator 10 in contact with said structure.
  • the actuator 10 is powered by a power source 13 preferably delivering a sinusoidal signal at the frequency fm, said frequency belonging preferably to the field of acoustic frequencies.
  • said first means When the first means furthermore generate an excitation wave at the frequency fm2, different from fm, which can be modulated, said first means advantageously comprise a second actuator 40 in contact with the structure 1 supplied by a generator 41 delivering the signal to the frequency fm2.
  • Such actuators 10, 40 are advantageously made in a known manner using piezoelectric technologies and are powered by voltage sources corresponding to the excitation signals applied to the structure.
  • the actuators 10, 40 are excited in continuous mode to maintain the induced waves 16 whose damping is fast.
  • the second means for generating the incident electromagnetic wave 17 essentially comprise a frequency generator 22 of the radio frequency domain and an antenna 21 which is arranged to radiate towards the zone of the structure 1 to be analyzed, a priori in the vicinity of the actuators 10, 40 producing the wave 14, 42 of mechanical excitation.
  • the demodulation means 19 of the reflected electromagnetic wave 18 consists essentially of a simple self-oscillator mixer.
  • the transmitting antenna 21 of the second means and the receiving antenna 15 of the third means are preferably directional, the same antenna being able to realize both the emission of the incident wave 17 and the reception of the wave thoughtful 18.
  • the directivity of said second and third means makes it possible to define the zone of the structure 1 under investigation and thus to locate the location in said structure of the cavities 12 containing a liquid 11 when the presence of liquid is detected.
  • the fourth means 20 consist of any means of processing the spectrum of the reflected electromagnetic wave 18 making it possible to highlight one of the phenomena signifying with a high probability the presence of a liquid 11 in a cavity 12 of the structure 1. With minimal information processing, the spectrum is presented in a graphical form that allows an experienced operator to interpret the different spectral lines in the context of an ongoing investigation.
  • the signal is processed, for example after sampling by a calculation unit, to allow automatic detection of lines in the spectrum of the reflected wave 18 significant of the presence of liquid in a cavity.
  • a situation corresponding to a probable presence of liquid is indicated by a display, possibly associated with an audible signal to the attention of an operator, the display and or the audible signal being preferably modulated to give information on the quantity of liquid that may be present in the zone being measured by the device, such information being deducible from the relative intensities of the different lines of the spectrum of the reflected wave.
  • means, not shown, for example a system for depositing an ink by micro-nozzles are associated with the device for depositing colored marks, for example a color ink which is contrasted with respect to the surface. of the structure and can be easily removed, on areas detected as containing liquid in cavities.
  • a marking device thus makes it possible to explore, by means of the device, important surfaces of the structure without interrupting a search phase and in a subsequent treatment phase to be able to instantly identify the zones potentially containing liquid to produce locally. a more detailed examination and or perform the drainage operations usually required to remove the liquid from the structure.
  • FIG. 5 A particularly advantageous form economically and operationally is shown in Figure 5 to achieve a compact probe 401, adapted to the device and the implementation of the method, capable of performing the functions of mechanical excitation, electromagnetic radiation and electromagnetic measurement.
  • the compact probe 401 of the device comprises a not completely symmetrical torus 407 made in piezoelectric technology which is connected to frequency generators corresponding to the mechanical excitation frequencies fm and fm2 as previously seen. It is known that a torus made of piezoelectric materials supports two degenerate vibratory modes that is to say at the same frequency. This property is true only if the symmetry is perfect.
  • a flyweight or a groove 408 is generally sufficient to break the symmetry of the torus 407.
  • the antenna 402 used in transmitting and receiving electromagnetic waves 17, 18.
  • the antenna 402 is constituted for example by an open coaxial cable, as illustrated in FIG. 5, which is able to radiate in the frequency domain concerned. , a patch or resonant cavity (whether or not coupled with an iris) or any other suitable antenna;
  • an electronics of the electromagnetic detection part 403 for example a self-oscillator mixer or an oscillator associated with a mixer;
  • a device can therefore be made using a probe of reduced dimensions and masses that can be easily moved to the surface of a structure to detect the presence of liquid and in particular water in cavities of the structure.
  • Said device is able to detect water in liquid form in panels, but not exclusively, honeycomb-core sandwich type having coatings based on carbon fiber, including through a metallization mesh when such a grid covers one of the coatings, generally on the side of the most accessible face of the panel.
  • the device makes it possible to search for the presence of water not only in the workshop, but proves feasible with sufficiently small dimensions to be used without dismantling a part installed for example on an aircraft.

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Abstract

L'invention concerne la détection de liquide (11) dans une cavité (12) d'une structure (1), e.g. une alvéole de structure sandwich à âme en nid d'abeille et revêtement en composite à fibre de carbone. La structure est soumise à une vibration mécanique, à une fréquence fm du domaine acoustique, au moyen d'une onde d'excitation (14, 42), la zone explorée est soumise à une onde électromagnétique (17) incidente et l'onde électromagnétique (18) réfléchie est analysée pour en déduire la présence ou l'absence de liquide dans des cavités. L' onde induite (16) de Faraday à la surface du liquide (11) dans la cavité (12) comporte des fréquences sous-harmonique de fm qui module l'onde électromagnétique réfléchie (18) et permet d'identifier la présence de liquide. Un dispositif de détection comporte des moyens (10, 13, 40, 41) de génération de l'onde d'excitation en vibration (14, 42), des moyens (21, 22) de génération de l'onde électromagnétique incidente (17) des moyens (15, 19) de mesure de l'onde électromagnétique réfléchie (18), des moyens (20) de traitement.

Description

Procédé et dispositif de détection d'eau dans une structure alvéolaire
La présente invention appartient au domaine du contrôle non destructif des structures. En particulier l'invention concerne la détection et la localisation de liquides dans des cavités internes de structures.
Dans le domaine des structures en constructions mécaniques, la recherche de masses aussi réduites que possible tout en assurant la solidité et la rigidité des structures conduit souvent à réaliser des pièces de structure, plus ou moins fortement chargées, comportant des cavités.
De telles pièces de structures prennent des formes et des compositions très variées dont une forme parmi les plus connues correspond aux structures dites sandwich à âme alvéolaire en nid d'abeille.
Une structure 1 sandwich à âme alvéolaire, telle que présentée en section sur la figure 1, comporte généralement une âme 2 formée de cellules creuses 12, a priori contenant de l'air, comportant sur chacune de ses faces, une face inférieure et une face supérieure, un revêtement, respectivement 4, 3, plein et résistant.
Ce type de structure en raison de son rapport rigidité- résistance/poids très favorable est particulièrement utilisé dans les constructions aéronautiques.
Dans une forme particulière de réalisation, également répandue, les revêtements 3, 4 de la structure sandwich sont réalisés en matériaux composites comportant des fibres, fibre de verre, d'aramide, de carbone..., maintenues dans une résine durcie et les cellules creuses 12 de l'âme alvéolaire 2 sont formées au moyen de parois réalisées dans un matériau en feuille conformé pour délimiter les cellules sous la forme d'un réseau le plus souvent régulier. Lorsque ce réseau est constitué de cellules de sections hexagonales l'expression « en nid d'abeille » est généralement utilisée.
Dans la plupart des cas les matériaux utilisés pour les revêtements et pour les parois des cellules sont relativement étanches pour les fluides courant ce qui conduit à une situation ou chaque cellule constitue une cavité sensiblement fermée et étanche.
Un inconvénient de ce type de structures tient au fait que les cellules creuses sont susceptibles de se remplir plus ou moins d'eau, sans que cette eau ne puisse s'évacuer naturellement, ce qui a pour effet d'une part d'alourdir inutilement la structure, dont la faible masse est recherchée, et d'autre part de diminuer par des actions physico-chimiques diverses la résistance de la structure en altérant les propriétés mécaniques propres des matériaux entrant dans la réalisation de la structure ou en altérant la qualité des liaisons entre les différents éléments assemblés, en particulier entre le matériau alvéolaire et les revêtements.
La présence d'eau ou de liquide en général dans des cellules creuses, généralement considéré comme un défaut majeur de la structure, est le plus souvent non prévisible et, quelles que soient les causes d'une présence de liquide, processus de formation d'eau lors de la fabrication de la structure ou pénétration ultérieure de liquide dans des cellules, il est essentiel de détecter la présence du liquide dans des cellules, de la localiser et de la quantifier afin de réaliser les actions nécessaires à l'élimination de la plus grande quantité possible de ce liquide.
La détection de liquides dans de telles structures à cavités est un problème ancien. Néanmoins les approches classiques souffrent de défauts importants.
Outre les inspections visuelles, limitées aux cas dans lesquels les matériaux utilisés présentent une transparence suffisante pour que le liquide dans une cellule soit observable par des moyens optiques, les méthodes les plus anciennes et bien connues de l'homme de l'art sont basées sur le principe de la détection acoustique.
Les méthodes de type échographie basées sur ce principe sont particulièrement bien adaptées aux milieux denses et continus. Dans le cas de structures alvéolées, peu denses et lacunaires, la transmission de l'onde acoustique est difficile et ne permet pas de discriminer avec la précision nécessaire la présence de liquide.
Une méthode purement acoustique dérivée, adaptée pour la détection du niveau d'un liquide dans un espace fermé, un flacon dans ce cas, est présentée dans le brevet publié sous le numéro EP0938653. Suivant ce brevet des vibrations sont induites dans le flacon au moyen d'un champ magnétique et un signal acoustique en réponse aux vibrations est reçu par un microphone. Des caractéristiques de ce signal acoustique reçu il peut être déduit la présence du liquide et son niveau dans le flacon. Néanmoins dans le cas de matériaux fortement lacunaires comme ceux considérés ici, cette approche ne permet pas de détecter efficacement la présence d'eau dans les cavités du fait de la faiblesse de l'écho sonore.
D'autres méthodes orientées particulièrement vers la détection de la présence d'eau dans les structures sandwich à âme alvéolaire utilisant d'autres principes physiques ont également été imaginées. Suivant une de ces autres méthodes, l'eau ayant des caractéristiques thermodynamiques très différente des matériaux dans lesquels la présence d'eau est recherchée, il a été proposé de réaliser une image par thermographie d'une pièce soumise à des variations de températures. Dans ce cas les zones correspondant à une présence d'eau évoluent en température moins rapidement que les zones sans eau en raison des différences d'inertie thermique entre l'eau et les matériaux de la pièce, une image en thermographie étant en mesure de détecter les écarts des températures de surface et donc de zones contenant de l'eau.
De telles méthodes, dont un exemple est présenté dans le brevet publié sous le numéro JP62024134, ont cependant le défaut d'une part de nécessiter le plus souvent que la pièce soit démontée pour être soumise aux investigations et d'autre part de nécessiter des moyens importants pour refroidir et ou réchauffer la pièce dans des conditions adaptées aux mesures à effectuer.
Suivant une autre méthode, la présence d'eau dans les cellules est détectée au moyen de micro-ondes électromagnétiques dont la propagation est modifiée en présence d'eau.
Cependant l'utilisation de micro-ondes électromagnétiques est contraignante en termes de précautions à prendre pour la protection des personnels lorsque le niveau d'énergie utilisé est significatif.
En outre des difficultés apparaissent dans le cas des structures sandwich utilisant des revêtements en matériau à base de fibres de carbone ou comportant une surface métallisée, par exemple au moyen d'un grillage de bronze, ce qui est le cas pour de nombreuses pièces.
Dans le cas de structure à fibres de carbone, le carbone des revêtements induit de fortes pertes et le rapport signal sur bruit est extrêmement défavorable à la détection. Lorsque qu'un grillage en bronze de métallisation recouvre une surface, cas fréquent pour les matériaux aéronautiques modernes, le revêtement est électriquement conducteur et empêche toute mesure de type diélectrique.
Pour résoudre ce problème, la solution décrite dans le brevet publié sous le numéro FR2880424 décrit un système de détection utilisant des micro-ondes électromagnétiques comportant des antennes placées dans le matériau alvéolaire d'un panneau sandwich entre les deux revêtements. Cette solution qui est applicable dans le cas de revêtements à base de fibres de carbone nécessite cependant de modifier les pièces pour installer les antennes ce qui conduit à des pièces plus complexes, plus fragiles et plus lourdes, et ce qui rend la solution difficilement utilisable sur les nombreuses pièces existantes ou sur des pièces qui n'auraient pas été pourvues de ces antennes lors de leur fabrication pour des raisons de coûts ou pour d'autres raisons.
De manière générale la présence d'un grillage de bronze empêche toute approche de type mesure du niveau de fluide dans les cavités par un dispositif radar (dans le domaine des fréquences radio, micro-ondes, et millimétrique) car le grillage de bronze réfléchit une grande partie de l'onde radio dans ces domaines de fréquence. Afin de pallier, à cet inconvénient, il convient usuellement de diminuer la fréquence de travail, ce qui a pour effet de dégrader de manière dramatique la précision des mesures et interdit de mener à bien une mesure du niveau de liquide avec une précision suffisante. La présente invention a précisément pour objectif palier aux difficultés rencontrées par les techniques antérieures de détection d'un liquide dans des cavités d'une structure en couplant une excitation en vibration de la structure dans le domaine acoustique avec une détection électromagnétique de la réponse vibratoire de la structure.
Ainsi suivant le procédé de détection de présence d'un liquide dans une cavité d'une structure dans lequel la structure est soumise à une vibration mécanique au moyen d'une onde d'excitation et est soumise à une onde électromagnétique incidente dans une zone de ladite structure dans laquelle la présence du liquide dans une cavité est recherchée.
Enfin une onde électromagnétique réfléchie, réflexion de l'onde incidente sur des éléments de la structure, est analysée pour en déduire la présence ou l'absence de liquide dans des cavités, l'onde réfléchie ayant des caractéristiques modifiées suivant que du liquide est présent ou non dans des cavités.
Afin de créer une onde de Faraday à la surface d'un liquide qui serait présent dans une cavité de la structure, parfaitement distincte des fréquences auxquelles répond la structure en absence de liquide, une composante de l'onde d'excitation est générée par une excitation vibratoire sensiblement sinusoïdale de fréquence fm, de préférence du domaine acoustique, apte à déclencher une oscillation induite de la surface du liquide dans une cavité à une fréquence sous- harmonique de la fréquence d'excitation fm.
Pour améliorer la sensibilité du procédé, une composante de l'onde d'excitation est également générée par une excitation vibratoire de fréquence fm2 décalée par rapport à la fréquence fm, ce qui permet de créer à la surface du liquide un motif d'onde stationnaire et augmente la réponse vibratoire du liquide par rapport à la réponse de la structure.
Afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, avantageusement la fréquence d'une des composantes de l'onde d'excitation est modulée et plus particulièrement est modulée par un bruit blanc ou pseudo-blanc.
En raison des fréquences très différentes des réponses vibratoires du liquide présent dans des cavités et de la structure, le procédé permet avec un rapport signal sur bruit élevé de déduire la présence de liquide à partir de la détection de raies spectrales prédéfinies dans le spectre de l'onde réfléchie.
En particulier la présence de liquide est déduite de la détection d'au moins une raie spectrale prédéfinie dans le spectre de l'onde réfléchie correspondant à une sous-harmonique de fréquence fm/2 et ou fm2/2 d'une fréquence d'excitation fm et ou fm2 respectivement.
Suivant l'invention un dispositif adapté à la mise en œuvre du procédé de détection de la présence de liquide dans une cavité d'une structure comporte :
- des premiers moyens de génération dans la structure d'au moins une onde d'excitation mécanique en vibration ;
- des deuxièmes moyens de génération d'une onde électromagnétique incidente dans une zone de la structure dans laquelle la présence d'un liquide est recherchée ;
- des troisièmes moyens de mesure d'une onde électromagnétique réfléchie par la structure recevant l'onde incidente ;
- des quatrièmes moyens de traitement et ou d'affichage aptes à mettre en évidence la présence dans un spectre de l'onde réfléchie d'au moins une raie spectrale caractéristique d'une onde induite sur une surface d'un liquide contenu dans une cavité de la structure par l'onde d'excitation mécanique.
Pour réaliser un dispositif compact, au moins pour une partie sonde, la sonde comporte un tore utilisant une technologie piézoélectrique apte à vibrer mécaniquement pour créer l'onde d'excitation mécanique à une fréquence fm ou à une fréquence fm et à une fréquence fm2 décalée par rapport à la fréquence fm.
Avantageusement la partie creuse du tore est exploitée pour agencer :
- une antenne pour l'émission et la réception des ondes électromagnétiques et ou ; - tout ou partie d'une électronique d'alimentation du composant piézoélectrique et ou ;
- tout ou partie d'une électronique d'alimentation de l'antenne d'émission de l'onde électromagnétique incidente et ou ;
- tout ou partie d'une électronique de détection de l'onde électromagnétique réfléchie et ou ;
- tout ou partie d'une électronique de traitement du signal.
La description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :
Figure la : un schéma de principe du procédé de l'invention et d'un dispositif suivant l'invention ;
Figure Ib : un schéma de principe illustrant un perfectionnement du procédé et du dispositif de la figure la ; Figure 2a : une illustration d'un exemple de spectre d'onde réfléchie observé dans une structure en absence de liquide avec un montage du type de la figure la, les fréquences correspondant à l'échelle des abcisses et la puissance correspondant à l'échelle des ordonnées ; Figure 2b : une illustration dans les même conditions que pour la figure
2a d'un exemple de spectre d'onde réfléchie observé dans une structure en présence de liquide dans une cavité, les fréquences correspondant à l'échelle des abcisses et la puissance correspondant à l'échelle des ordonnées ; Figure 3 : une illustration du spectre de l'onde réfléchie dans le cas d'un montage bifréquence correspondant au schéma de la figure Ib ;
Figure 4 : une illustration du spectre de l'onde réfléchie dans le cas d'un montage bifréquence correspondant au schéma de la figure Ib dans lequel une des fréquences est modulée; Figure 5 : une illustration schématique d'une sonde regroupant des fonctions acoustiques et radar pour un dispositif suivant l'invention.
La présente invention, dont le principe est illustré sur la figure la, s'applique à la détection de la présence d'un liquide 11, par exemple de l'eau, dans une structure 1 comportant au moins une cavité 12.
Pour les besoins de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre du procédé suivant l'invention et de celle d'un mode de réalisation d'un dispositif suivant l'invention, ladite structure comportant au moins une cavité est représentée par une structure 1 d'un panneau, sensiblement plan à l'échelle d'une zone considérée, comportant une âme alvéolaire 2 et des revêtements, un revêtement supérieur 3 et un revêtement inférieur 4, sur les faces de l'âme alvéolaire 2.
Chaque alvéole 12 de l'âme, fermée à ses extrémités par les revêtements supérieur et inférieur, constitue une cavité.
Le panneau 1 comporte en pratique une multitude de cavité 12 ce qui rend le problème de la détection d'un liquide dans certaines cavités plus complexe en pratique puisqu'il est alors nécessaire de localiser la (les) cavité(s) dans laquelle (lesquelles) le liquide est présent.
Un panneau ayant une telle structure dans lequel les alvéoles ont des sections régulières hexagonales est généralement dit panneau sandwich à âme en nid d'abeille.
Le choix d'une telle structure, d'utilisation fréquente, pour décrire l'invention n'est cependant pas limitatif.
De manière connue, les revêtements 3, 4, du panneau considéré sont réalisés dans un matériau composite formé de fibres maintenues dans une résine durcie, par exemple des fibres de verre ou des fibres de carbone maintenues par une résine aramide polymérisée, et les parois formant les alvéoles du nid d'abeille sont réalisées dans un matériau composite, a priori moins coûteux que les matériaux à base de fibres de carbone, par exemple à base de fibres de verre ou à base de feuilles minces d'un matériau organique.
Suivant le procédé de l'invention la structure 1 à inspecter, comportant de multiples cavités 12 dont certaines sont susceptibles de contenir un liquide 11, est excité mécaniquement en vibration.
L'excitation mécanique est réalisée de préférence au moyen d'une excitation sinusoïdale de fréquence fm appartenant au domaine des fréquences acoustiques. L'excitation mécanique de la structure 1 à inspecter est réalisée de telle sorte qu'une onde acoustique 14, dite onde d'excitation, se propage dans la structure 1.
Lorsque l'onde d'excitation 14 atteint une cellule 12 contenant un liquide 11, par exemple de l'eau sous forme liquide, ladite onde crée au niveau de la surface libre de l'eau par un effet non linéaire une nouvelle onde 16, dite onde induite, également connues sous le nom d'onde de Faraday.
L'onde induite 16 est majoritairement une sous harmonique Vi de l'onde d'excitation, c'est à dire que ladite onde induite est une onde de fréquence f/n/2 que seuls des phénomènes fluides peuvent générer. En outre la structure 1, dans une zone dans laquelle la présence de liquide est recherchée, est soumise à une onde électromagnétique 17.
L'onde électromagnétique 17 est de préférence une onde radar entretenue du type des ondes générées au moyen d'un radar CW (continous waves). L'onde électromagnétique 17, dite onde incidente, est choisie avec une fréquence adaptée aux matériaux entrant dans la composition de la structure alvéolaire et en particulier en fonction du matériau du revêtement se situant entre la source de l'onde électromagnétique et le liquide éventuel devant être détecté, de telle sorte que ledit revêtement n'introduise qu'une atténuation raisonnable, par exemple <120 dB.
En particulier lorsque la structure alvéolaire 1 est recouverte, sur une face traversée par l'onde incidente 17 et ou une onde réfléchie devant être observée, d'une protection électromagnétique, par exemple un grillage conducteur, il sera pris soin dans le choix de la fréquence de l'onde incidente 17 d'éviter que ladite fréquence incidente, et également des fréquences attendues d'une onde réfléchie, correspondent à une bande de fréquences interdites pour laquelle l'atténuation serait maximale.
De manière connue, le choix de la fréquence de l'onde incidente résulte en outre d'un compromis entre d'une part le maintien des pertes dans les matériaux de la structure 1 à un niveau acceptable pour des moyens de mesures mis en oeuvre, les pertes, qui dépendent du matériau, augmentant lorsque la fréquence augmente, et d'autre part une sensibilité spatiale recherchée, la résolution étant meilleure lorsque la fréquence est augmentée.
La prise en considération de ces paramètres pour choisir une fréquence de l'onde incidente 17 permet suivant le procédé de l'invention de limiter les puissances mise en oeuvre pour la dite onde incidente à des niveaux relativement faible qui limite les risques physiologiques liés aux rayonnements électromagnétiques.
L'onde incidente 17 est réfléchie par les différents éléments présent sur sa trajectoire et notamment par la surface libre du liquide éventuellement présent dans une cellule pour former une onde réfléchie 18, modulée par les vibrations mécaniques des dits différents éléments.
Dans le cas où un liquide 11 est présent dans une cellule, l'onde réfléchie 18 par la surface dudit liquide, soumis à la fréquence de l'excitation mécanique fm, est modulée non seulement par les vibrations de la structure liées à l'onde d'excitation 14 à la fréquence fm, c'est à dire des vibrations de fréquences fm et d'harmoniques multiples de fm, mais également par celles liées à l'onde induite
16 à ladite surface dudit liquide des fréquences sous harmoniques et en particulier à la fréquence fm/2. Un traitement d'une mesure de l'onde réfléchie 18 permet d'extraire un signal utile pour identifier une présence ou non de liquide dans la ou les cellules soumises à l'onde incidente 17.
Ce traitement comporte une analyse du spectre de bande de base de l'onde électromagnétique réfléchie 18 pour détecter une éventuelle sous- harmonique de la fréquence d'excitation.
Un avantage du procédé tient au fait que d'une part l'onde électromagnétique, contrairement aux ondes acoustiques, est insensible à la présence de lacunes acoustiques caractéristiques des matériaux alvéolaires, et que d'autre part les conséquences de l'excitation d'origine à la fréquence fm, ainsi que des harmoniques d'ordre supérieur (2, 3, 4...) dues aux non linéarités à l'intérieur des solides constituant la structure, peuvent être filtrées efficacement car nettement séparées dans le spectre des fréquences recherchées de l'onde induite.
Les conséquences directes sont une puissance suffisante du signal utile pour que celui-ci soit mesurable sans difficulté particulière et un rapport signal sur bruit très favorable.
Les équations suivantes illustrent comment l'onde réfléchie 18 est influencée par la présence d'un liquide dans une cellule.
Si l'onde incidente 17 est caractérisée par un signal électromagnétique émis e(t), par exemple un signal sinusoïdal de fréquence fe et d'amplitude Ee , le signal s'exprime :
e(t) = Ee * exp(j*2*π*fe*t)
avec j l'unité imaginaire et en utilisant les notations dites exponentielles, t étant la variable temps. L'opérateur * correspond à la multiplication.
L'onde réfléchie 18 est caractérisée par un signal s(t). Le signal sQ(t) réfléchit par un objet immobile correspond au signal e(t) émis déphasé en fonction de la distance électrique à l'objet T1 soit:
s Jt) = Ee * expjj * (2*π*fe*t + I)] = Ee * exp(j*2*π*fe*t) * exp\j*l)
Lorsque le signal s(t) est réfléchit par un objet en vibration mécanique à une fréquence fm, le signal reçu est de la forme :
s(t) = Ee * expjj * (2*π*fe*t + a*sin(2*π*fm*t)] * exp\j*l)
expression dans laquelle a est un coefficient proportionnel à l'amplitude mécanique avec laquelle vibre l'objet .
Cette expression du signal réfléchit s'exprime également au moyen de fonctions de Bessel Jk d'ordre k:
s(t) = Ee *expu*7) * exp(j*2*π*fe*t) * Σ ° k= ∞[3 ^a) * exp(2*π*k*fm*i)]
Cette expression correspond à un spectre de raies symétrique et centré sur la fréquence fe.
Chaque raie est espacée d'une raie voisine par une fréquence fm.
Dans le cas particulier du panneau 1 correspondant à l'application suivant le procédé, le signal sera a priori réfléchi plusieurs fois, en particulier au niveau des cavités.
En absence de liquide dans les cellules, le signal est donc de la forme, en notant par un indice i les paramètres associés aux différentes réflexions :
s(t) = ∑t [Ee1 * expu*2*π*fe*t) * expû*T) * exp(j*a/*sin(2*π*fm*0)]
Le spectre de ce signal correspond à nouveau à un spectre de raies symétrique et centré sur la fréquence fe dont chaque raie est espacée d'une raie voisine par une distance fm. En présence d'un liquide dans aux moins certaines cellules le signal correspondant à l'onde réfléchie contient un nouveau terme, lié à la présence de l'onde induite 16 à la surface du liquide 11, de la forme:
s(t) = Ee1 * exp[j*(2*π*fe*t + a*sin(2*π*fm/2*t))] * expιj*l)
en supposant une réponse sous harmonique du liquide dominée par la sous
harmonique Vi, expression qui s'exprime également
s(t) = Ee * exp(J*l) * exp(j*2*π*fe*t) * ∑°° k_ [J .(δ)*exp(j*2*π*k*fm/2*t)]
Le spectre de ce signal correspond à un spectre de raies symétrique et centré sur la fréquence fe dont chaque raie est espacée d'une raie voisine par une distance fm/2.
La présence de liquide 11 dans une cellule 12 est donc mise en évidence par la présence dans le spectre de l'onde réfléchie 18 de raies à des fréquences fm/2, 3* fm/2, 5* fm/2 etc., fréquence absentes dans le cas d'absence de liquide dans les cellules. La figure 2a illustre un exemple d'un spectre observé expérimentalement en absence d'un liquide dans les cellules et celui de la figure 2b un exemple d'un spectre en présence d'eau dans des cellules d'un panneau d'une structure sandwich nid d'abeille.
Dans le spectre de la figure 2a une raie spectrale est caractéristique de la fréquence fm et aucune sous-harmonique ne se distingue contrairement au spectre de la figure 2b qui présente des sous-harmoniques de la fréquence fm.
Dans une forme perfectionnée du procédé suivant l'invention correspondant à l'illustration de la figure Ib, afin d'améliorer la sensibilité de la détection de liquide, la structure 1 est excitée en vibration mécanique au moyen de deux fréquences, la fréquence fm et une seconde fréquence fm2, lesdites deux fréquences étant proches l'une de l'autre. En effet il est connu (voir par exemple Thomas Besson & W Stuart Edwards, Two frequency parametric excitation - jul 1996 - physical review) que la mise en vibration d'une surface d'un liquide à l'aide de deux fréquences, produit une onde stationnaire sous harmonique.
L'excitation mécanique à la fréquence fm2 génère une onde 42 qui se propage dans le matériau 1 et qui interfère avec l'onde 14 d'excitation mécanique à la fréquence fm pour créer un réseau d'interférence à la surface du liquide 11 lorsqu'une cellule 12 contient un tel liquide.
Le signal d'excitation mécanique correspondant à la fréquence fm2 peut correspondre à un signal sinusoïdal pur ou modulé.
La figure 3 schématise dans ce cas un spectre reçu en bande de base par le capteur électromagnétique.
Avantageusement, le signal d'excitation correspondant à la fréquence fm2 est modulé par un bruit blanc ou pseudo-blanc (M-séquence) permettant d'utiliser des méthodes de traitement du signal de type auto corrélation qui permettent d'améliorer le rapport signal sur bruit.
En pratique la modulation par une M-séquence est susceptible d'exciter des modes non linéaires de la structure ou du fluide (phénomène parasite de type mixage). Néanmoins, si les fréquences d'excitation mécanique sont choisies de telle sorte que lesdites fréquences sont proches l'une de l'autre, c'est à dire que \fm2-fm\ « fm/2, les bandes dues au mixage des fréquences ne recouvrent pas l'harmonique Vi1 ce qui permet de déterminer la fonction de transfert acoustique du matériau au alentour de l'harmonique Vi.
Dans ce cas les propriétés parasites de type mixage seront avantageusement utilisées pour déterminer des propriétés mécaniques, c'est à dire non fluides, de la pièce.
La figure 4 illustre ces phénomènes par une représentation schématique d'un spectre de fréquences mécaniques d'une pièce. Une fréquence 303 correspond à la première vibration mécanique à la fréquence fin, une autre fréquence 302 à la seconde vibration mécanique à la fréquence fm2 qui est modulé par une M-séquence 301.
Par ailleurs, en raison de la présence d'une cavité contenant un liquide, des vibrations mécaniques de fréquences moitié 306, 307 sont mises en évidence ainsi que la modulation bruit blanc multipliée par la fonction de transfert du fluide
(résultat connu dans le cadre des systèmes linéaires), noté 304 sur le schéma de la figure 4.
En outre à proximité de la fréquence nulle, un produit de mixage 305, caractérisé +/-m*fml+/-n*fm2, donne la fonction de transfert mécanique au alentour de la fréquence nulle. Ceci tient au fait que par mixage le bruit blanc est transféré au niveau de la fréquence nulle et subit une convolution temporelle par la fonction de transfert mécanique de la structure 1.
Le signal mesuré peut dans certaines circonstances présenter des raies spectrales 308, 309 en dehors du spectre lié directement à l'excitation mécanique.
De telles raies sont dues à la séparation de petites gouttes de la surface libre du liquide dans la cavité, petites gouttes dont la cinétique est propre à chaque goutte. De telles raies 308, 309 sont caractéristiques et sont avantageusement utilisées pour améliorer la détection de la présence de liquide.
Enfin d'autre raie de type parasite pur 310 sont parfois observées. Elles correspondent majoritairement à des non-linéarités de la structure.
Ainsi suivant le procédé l'analyse du spectre de l'onde réfléchie 18 permet de détecter, du fait de la présence de certaines raies 306, 307, 304, 305, 308 dans ledit spectre, la présence d'un liquide 11 dans des cavités 12.
Un dispositif suivant l'invention pour détecter la présence d'un liquide 11 dans au moins une cavité 12 d'une structure 1 telle qu'une structure dite sandwich à âme en nid d'abeille comporte : - des premiers moyens 10, 13, 40, 41 de génération dans la structure 1 d'au moins une onde d'excitation mécanique en vibration 14, 42 ;
- des deuxièmes moyens 21, 22 de génération d'une onde électromagnétique incidente 17 dans une zone de la structure 1 dans laquelle la présence d'un liquide est recherchée ;
- des troisièmes moyens 15, 19 de mesure d'une onde électromagnétique réfléchie 18 par la structure 1 recevant l'onde incidente 17;
- des quatrièmes moyens 20 de traitement et ou d'affichage aptes à mettre en évidence la présence dans un spectre de l'onde réfléchie 18 d'au moins une raie spectrale caractéristique d'une onde induite 16 sur une surface d'un liquide 11 contenu dans une cavité 12 de la structure 1 par l'onde d'excitation mécanique 14, 42.
Les premiers moyens comportent avantageusement un actionneur 10 en contact avec ladite structure.
L'actionneur 10 est alimenté par une source de puissance 13 délivrant de préférence un signal sinusoïdal à la fréquence fm, ladite fréquence appartenant de préférence au domaine des fréquences acoustiques.
Lorsque les premiers moyens génèrent en outre une onde d'excitation à la fréquence fm2, différente de fm, pouvant être modulée, lesdits premiers moyens comportent avantageusement un second actionneur 40 en contact avec la structure 1 alimenté par un générateur 41 délivrant le signal à la fréquence fm2.
De tels actionneurs 10, 40 sont avantageusement réalisés de manière connue en utilisant des technologies piézoélectriques et sont alimentés par des sources de tensions correspondant aux signaux d'excitation devant appliqués sur la structure.
De préférence les actionneurs 10, 40 sont excités en régime continu pour entretenir les ondes induites 16 dont l'amortissement est rapide. Les deuxièmes moyens de génération de l'onde électromagnétique incidente 17 comportent essentiellement un générateur de fréquence 22 du domaine radioélectrique et une antenne 21 qui est agencée pour rayonner en direction de la zone de la structure 1 devant être analysée, a priori à proximité du ou des actionneurs 10, 40 produisant l'onde 14, 42 d'excitation mécanique.
Les troisièmes moyens de mesure de l'onde électromagnétique réfléchie
18 comportent essentiellement une antenne 15 et des moyens de démodulation
19 de ladite onde réfléchie aptes à établir un spectre des fréquences de ladite onde. Dans une forme de réalisation particulièrement économique, les moyens de démodulation 19 de l'onde électromagnétique réfléchie 18 consiste essentiellement en un simple auto-oscillateur mélangeur.
L'antenne d'émission 21 des deuxièmes moyens et ou l'antenne de réception 15 des troisièmes moyens sont de préférence directrices, une même antenne pouvant réaliser à la fois l'émission de l'onde incidente 17 et la réception de l'onde réfléchie 18.
La directivité des dits deuxièmes et ou troisièmes moyens permet de définir la zone de la structure 1 en cours d'investigation et donc de localiser l'emplacement dans ladite structure des cavités 12 contenant un liquide 11 lorsque la présence de liquide est détectée.
Les quatrièmes moyens 20 consistent en tout moyen de traitement du spectre de l'onde électromagnétique réfléchie 18 permettant de mettre en évidence un des phénomènes signifiant avec une forte probabilité la présence d'un liquide 11 dans une cavité 12 de la structure 1. Dans une réalisation comportant un traitement minimal de l'information, le spectre est présenté sous une forme graphique qui permet à un opérateur expérimenté une interprétation des différentes raies du spectre dans le contexte d'une investigation en cours.
De préférence, le signal est traité, par exemple après échantillonnage par une unité de calcul, pour permettre une détection automatique de raies dans le spectre de l'onde réfléchie 18 significatives de la présence de liquide dans une cavité.
Dans ce cas une situation correspondant à une présence probable de liquide est signalée par un affichage, éventuellement associé à un signal audible à l'attention d'un opérateur, l'affichage et ou le signal audible étant de préférence modulés pour donner une information sur la quantité de liquide pouvant être présent dans la zone en cours de mesure par le dispositif, une telle information pouvant être déduite des intensités relatives des différentes raies du spectre de l'onde réfléchie.
Dans une forme de réalisation particulière, des moyens, non représentés, par exemple un système de dépôt d'une encre par micro-buses, sont associés au dispositif pour déposer des marques colorées, par exemple une encre de couleur contrastée par rapport à la surface de la structure et pouvant être aisément retirée, sur des zones détectées comme contenant du liquide dans des cavités. Un tel dispositif de marquage permet ainsi d'explorer au moyen du dispositif des surfaces importantes de la structure sans interrompre une phase de recherche et dans une phase traitement ultérieure d'être en mesure d'identifier instantanément les zones contenant potentiellement du liquide pour réaliser localement un examen plus détaillé et ou effectuer les opérations de drainage généralement nécessaires pour éliminer le liquide de la structure.
Une forme particulièrement avantageuse économiquement et sur le plan opérationnel est présentée sur la figure 5 pour réaliser une sonde compacte 401, adaptée au dispositif et à la mise en œuvre du procédé, apte à réaliser les fonctions d'excitation mécanique, de rayonnement électromagnétique et de mesure électromagnétique.
La sonde compacte 401 du dispositif comporte un tore 407 non totalement symétrique réalisée en technologie piézoélectrique qui est raccordé à des générateurs de fréquences correspondant aux fréquences d'excitation mécaniques fm et fm2 comme vu précédemment. II est connu qu'un tore réalisé en matériaux piézoélectrique supporte deux modes vibratoires dégénérés c'est à dire à la même fréquence. Cette propriété est vrai uniquement si la symétrie est parfaite.
Lorsque la symétrie est brisée, le tore est apte à résonner pour deux fréquences fm et fm2 proches mais distinctes. Une masselotte ou une rainure 408 est généralement suffisante pour briser la symétrie du tore 407.
A l'intérieur du tore subsiste un espace 409 suffisant pour installer si cela s'avère avantageux, c'est à dire si en raison de leurs tailles ou de leurs dissipations thermiques il n'est pas souhaitable de les installer de manière déportée :
- l'antenne 402 utilisée en émission et en réception des ondes électromagnétiques 17, 18. L'antenne 402 est constituée par exemple par un câble coaxial ouvert, comme illustré sur la figure 5, qui est apte à rayonner dans le domaine de fréquence concerné, d'un patch ou d'une cavité résonante (couplée ou non par un iris) ou de toute autre antenne appropriée ;
- tout ou partie d'une électronique du générateur de fréquences et d'une électronique d'amplification du signal d'alimentation du composant piézoélectrique ;
- tout ou partie d'une électronique d'alimentation de l'antenne d'émission de l'onde électromagnétique incidente 17 ;
- tout ou partie d'une électronique de la partie détection électromagnétique 403, par exemple auto-oscillateur mélangeur ou bien oscillateur associé à un mélangeur ;
- tout ou partie d'une électronique de traitement du signal 404.
Un dispositif peut donc être réalisé qui utilise une sonde de dimensions et de masses réduites pouvant être aisément déplacée à la surface d'une structure pour détecter la présence de liquide et en particulier d'eau dans des cavités de la structure. Ledit dispositif est en mesure de détecter de l'eau sous forme liquide dans des panneaux, mais non exclusivement, de type sandwich à âme en nid d'abeille comportant des revêtements à base de fibre de carbone, y compris à travers un grillage de métallisation lorsqu'un tel grillage recouvre un des revêtements, en général du côté de la face la plus accessible du panneau.
Le dispositif permet de rechercher la présence d'eau non seulement en atelier mais s'avère réalisable avec des dimensions suffisamment réduites pour être utilisé sans démontage d'une pièce installée par exemple sur un aéronef.

Claims

Revendications
- procédé de détection de présence d'un liquide (11) dans une cavité (12) d'une structure (1) dans lequel ladite structure est soumise à une vibration mécanique au moyen d'une onde d'excitation (14, 42) caractérisée en ce que :
- une zone de ladite structure dans laquelle la présence du liquide (11) dans une cavité (12) est recherchée est soumise à une onde électromagnétique (17) dite onde incidente ;
- une onde électromagnétique (18), réflexion de l'onde incidente (17) sur des éléments de la structure (1), dite onde réfléchie, est analysée pour en déduire la présence ou l'absence de liquide dans des cavités (12) en fonction de modulations induites par la vibration mécanique sur des caractéristiques de l'onde réfléchie (18).
- Procédé suivant la revendication 1 dans lequel une composante de l'onde d'excitation (14) est générée par une excitation vibratoire sensiblement sinusoïdale de fréquence fm apte à déclencher une oscillation de la surface d'un liquide (11) dans une cavité (12), oscillation dite onde induite (16), à une fréquence sous-harmonique de la fréquence d'excitation fm.
- Procédé suivant la revendication 2 dans lequel une composante de l'onde d'excitation (42) est générée par une excitation vibratoire de fréquence fm2 décalée par rapport à la fréquence fm.
- Procédé suivant la revendication 3 dans lequel la fréquence de l'une des composante de l'onde d'excitation (14, 42) est modulée.
- Procédé suivant la revendication 4 dans lequel la fréquence modulée est modulée par un bruit blanc ou pseudo-blanc. 6 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes dans lequel la présence de liquide (11) dans une cellule (12) est déduite de la détection de raies spectrales (307, 306, 304, 305, 308) prédéfinies dans le spectre de l'onde réfléchie (18).
7 - Procédé suivant la revendication 6 dans lequel la présence de liquide (11) est déduite de la détection d'au moins une raie spectrale (307, 306) prédéfinie dans le spectre de l'onde réfléchie (18) correspondant à une sous- harmonique de fréquence fm/2 et ou fm2/2 d'une fréquence d'excitation fm et ou fm2 respectivement.
8 - Dispositif de détection de la présence de liquide (11) dans une cavité (12) d'une structure (1) comportant des premiers moyens (10, 13, 40, 41) de génération dans la structure (1) d'au moins une onde d'excitation mécanique en vibration (14, 42) caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- des deuxièmes moyens (21, 22) de génération d'une onde électromagnétique incidente (17) dans une zone de la structure (1) dans laquelle la présence d'un liquide est recherchée ;
- des troisièmes moyens (15, 19) de mesure d'une onde électromagnétique réfléchie (18) par la structure (1) recevant l'onde incidente (17) ;
- des quatrièmes moyens (20) de traitement et ou d'affichage aptes à mettre en évidence la présence dans un spectre de l'onde réfléchie (18) d'au moins une raie spectrale caractéristique d'une onde induite (16) sur une surface d'un liquide (11) contenu dans une cavité (12) de la structure (1) par l'onde d'excitation mécanique (14, 42).
9 - Dispositif suivant la revendication 8 comportant une sonde (401) comportant un tore (407) utilisant une technologie piézoélectrique apte à vibrer mécaniquement pour créer l'onde d'excitation mécanique (14, 42) à une fréquence fm ou à une fréquence fm et à une fréquence fm2 décalée par rapport à la fréquence fm.
Dispositif suivant la revendication 9 dans lequel une partie creuse (409) du tore (407) comporte :
- une antenne (402) pour l'émission et la réception des ondes électromagnétiques (17, 18) et ou ;
- tout ou partie d'une électronique d'alimentation du composant piézoélectrique (407) et ou ;
- tout ou partie d'une électronique d'alimentation de l'antenne d'émission de l'onde électromagnétique incidente (17) et ou ;
- tout ou partie d'une électronique de détection (403) de l'onde électromagnétique réfléchie (18) et ou ;
- tout ou partie d'une électronique de traitement du signal (404).
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