EP4449110A1 - Methode de controle non destructif d'un ensemble de structures sensiblement identiques - Google Patents

Methode de controle non destructif d'un ensemble de structures sensiblement identiques

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EP4449110A1
EP4449110A1 EP22835684.6A EP22835684A EP4449110A1 EP 4449110 A1 EP4449110 A1 EP 4449110A1 EP 22835684 A EP22835684 A EP 22835684A EP 4449110 A1 EP4449110 A1 EP 4449110A1
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EP
European Patent Office
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sensors
structures
destructive testing
signal
substantially identical
Prior art date
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Pending
Application number
EP22835684.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Valentin SEREY
Arnaud Recoquillay
Olivier MESNIL
Clément FISHER
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G01N2291/2693—Rotor or turbine parts

Definitions

  • the invention relates to the field of non-destructive testing of mechanical structures or integrated health testing and more specifically to methods aimed at detecting the presence of defects on these structures and imaging them.
  • the invention relates to methods based on guided ultrasonic elastic waves and non-destructive testing applied to sets of substantially identical structures, for example a set of blades of an aircraft engine or a set of blades of a wind turbine or even a set of sections of the same pipe. More generally, the invention also applies to ultrasonic waves, such as bulk waves.
  • the invention applies advantageously to structures which are geometrically complex and/or whose materials are anisotropic.
  • Non-destructive testing methods for structures are generally based on a comparison between an initial measurement, carried out when the structure is considered sound, and a subsequent measurement carried out at a time when the structure is potentially damaged.
  • Environmental conditions concern, for example, temperature or humidity.
  • Operational conditions relate to mechanical changes impacting the structure during its operational functioning. Such mechanical changes can affect wave propagation. For example, in the case of the blades of a rotating engine, the centrifugal force affects the propagation of the waves in a non-uniform way, but in a substantially identical way on all the blades.
  • FIG. 1 represents an ST structure to be controlled by means of a pair of ultrasonic sensors E, R.
  • an ultra-sound wave UL is emitted by the sensor E and propagates in the structure ST until it is measured by the sensor R.
  • the structure ST is subjected to temperature conditions T° o .
  • the signals measured by the sensor R at the reference instant (a) and at the instant (b) are represented superimposed on the diagram 101.
  • the diagram 102 represents the result of the subtraction of the two signals from the diagram 101 which reveals the signature of a defect since the other variations of the signal linked to the environmental conditions are identical for the two measurements.
  • Diagram 103 represents the superposition of the signals at times a) and c).
  • Diagram 104 represents the difference between the two signals. Note on diagram 104 that the signature of the fault can no longer be differentiated with respect to the differences in signal variations linked to changes in temperature.
  • Reference [1] describes a non-destructive testing method which consists of positioning several pairs of transmitter-receiver sensors on the structure to be control in order to define several substantially identical propagation paths between the different pairs of sensors.
  • Substantially identical propagation paths are understood to mean paths between two points of the structure having the same distance, the same geometry, the same mechanical properties and being subjected to the same environmental and operational conditions. By comparing the measurements obtained on the different identical paths, it is possible to detect a fault on one of the paths when the corresponding measurement differs from that of the other paths.
  • This method has the advantage of not depending on the evolution of the environmental conditions affecting the structure over time since the similarity of the paths chosen implies the assumption that they are all impacted in the same way by the changes in state of the structure.
  • Figure 2 shows an example of a structure equipped with three pairs of sensors defining three identical paths 201, 202, 203.
  • Paths 201, 202 are healthy while path 203 is impacted by a fault.
  • the measurements 211 ,212 carried out using the sensors defining the healthy paths 201 ,202 make it possible to generate a reference measurement 213 characterizing the healthy state of the structure.
  • a signature 215 of the fault is obtained.
  • a disadvantage of this method is that it requires defining strictly identical paths from the point of view of the propagation of the ultrasonic waves along these paths and of the operational conditions of operation of the structure. In practice, this constraint cannot always be respected for all structures, for example if the material of the structure is anisotropic or if the geometry of the structure is complex and presents variations in thickness and curvatures or even because of variability related to the sensors and their coupling to the structure.
  • Another disadvantage of this method is that it requires comparing the raw measurements of the signals with each other, which does not always lead to a reliable result.
  • the invention proposes to solve the limitations of the aforementioned methods by exploiting several substantially identical structures or several substantially identical parts of the same structure which are subject to the same environmental conditions.
  • the invention is particularly suitable for the non-destructive testing of systems composed of several substantially identical structures such as the sets of blades of an aircraft engine.
  • the subject of the invention is a method for the non-destructive testing of a set of several structures supporting ultrasonic elastic wave propagation modes, the structures of said set being substantially identical, each structure being equipped with a plurality of identical elastic wave sensors positioned at substantially identical locations on each of the structures, the method comprising the steps of:
  • each group of signals determine a damage indicator representative of a distance between each characteristic vector associated with a pair of sensors and an average of said characteristic vectors over all the signals in the group,
  • the method also comprises a preliminary step of defining several groups of paths between sensors that are substantially identical from the point of view of the propagation of the wave along the path, taking into account at least one of the constraints from among: a constraint of geometrical similarity, a constraint of similarity of the composition of the materials forming the structures, a constraint of similarity of the environment to which the structures are subjected, a constraint of similarity of the operational conditions to which the structures are subjected.
  • the representative characteristics extracted from the signal are taken from among: the energy of the signal, the maximum amplitude of the signal, an instant corresponding to a particular point of the signal, the frequency of the maximum of the signal, the value of the maximum of the signal in frequency, the coefficients of a decomposition into wavelets applied to the signals, frequency and time centroids.
  • the method further comprises the steps of:
  • the method further comprises: a prior step of determining initial damage indicators for the same structures in a healthy initial state, a step of subtracting the initial damage indicators from the damage indicators determined for said structures in a subsequent state.
  • the method comprises a step of calculating, for each group of signals, statistical moments applied to the feature vectors and comprising at least one mean calculation and one covariance matrix.
  • the step of calculating statistical moments is carried out iteratively by deleting, at each iteration, the vector of characteristics having a distance greater than a highest predetermined threshold with respect to the average of said vectors.
  • the step of determining a signal characteristic of the propagation of an ultrasonic elastic wave in the structure along a path connecting the torque sensors is carried out by emitting an elastic wave ultrasound from the first torque sensor and measuring with the aid of the second torque sensor the ultrasonic elastic wave propagated in the structure.
  • the step of determining a signal characteristic of the propagation of an ultrasonic elastic wave in the structure along a path connecting the torque sensors is carried out by:
  • the invention also relates to a non-destructive testing system for a set of several structures supporting modes of guided propagation of ultrasonic elastic waves, the structures of said set being substantially identical, the system comprising a plurality of sensors elastic waves intended to be positioned at substantially identical locations on each of the structures and a calculation unit configured to execute the steps of the non-destructive testing method according to the invention from the signals measured by said sensors.
  • system according to the invention further comprises a display interface for displaying a map of said structures from the calculated damage indices.
  • the elastic wave sensors are chosen from among piezoelectric transducers, electromagnetic acoustic transducers or fiber optic Bragg grating sensors.
  • the invention also relates to a set of several structures supporting modes of guided propagation of ultrasonic elastic waves, the structures of said set being substantially identical and being equipped with the non-destructive testing system according to the invention, the sensors of elastic waves of said system being at substantially identical locations on each of the structures.
  • said assembly being constituted by a set of blades of an aircraft engine.
  • said assembly being constituted by a set of identical cylindrical sections connected to form a pipe.
  • FIG. 1 illustrates the principle of a non-destructive testing method based on a reference state according to the prior art
  • FIG. 2 illustrates another non-destructive testing method based on a comparison between identical paths on the same structure
  • FIG. 3 illustrates, on a diagram, the principle on which the invention is based
  • FIG. 4 illustrates an example of arrangement of sensors on two substantially identical structures
  • FIG. 5 schematizes, on a flowchart, the steps for implementing a non-destructive testing method according to the invention
  • Fig. 6 illustrates an example of mapping of a structure obtained with the invention.
  • FIG. 7 represents a diagram of a preferential application of the invention to control the state of health of the blades of an aircraft engine.
  • the principle of the invention consists in carrying out several measurements of guided ultrasonic waves between pairs of transmitter-receiver sensors located at the same positions on substantially identical structures in such a way that the wave propagation travels identical paths.
  • the geometry of the part the properties of the material but also the environmental and operational conditions.
  • the pipe of constant section, is formed of several identical parts between them from a geometric point of view and being composed of the same materials.
  • these different parts of the same pipe can be subjected to different environmental conditions. This is the case, for example, when part of the pipe is in the sun and another part in the shade.
  • the different parts of the pipe are subjected to different temperatures which can impact the propagation of the waves even on geometrically identical paths.
  • the operational conditions of the structure's operation can also have an impact on wave propagation. For example, if part of the pipe has hot content and another part of the pipe has cold content, the temperature differences will also impact signal propagation. Wave propagation variabilities can also come from vibrations impacting different parts of the pipe differently.
  • substantially identical paths must be understood as meaning paths having substantially the same geometry, traversing structures composed of the same materials and being subjected to the same environmental and operational conditions.
  • substantially identical must be understood as meaning identical to the tolerances ready for manufacture, integration of the sensors on the structure and measurements of the impact of the environmental and operational conditions.
  • the sensors positioned on the structures to define the paths must also be substantially identical to limit the variability of the operating conditions of the sensors.
  • FIG. 3 schematizes N substantially identical structures which undergo the same operational and environmental conditions (in particular temperature, humidity) over time.
  • a pair of sensors E, R is positioned at the same positions.
  • An identical propagation path is therefore defined on all the structures.
  • the measured signals are supposed to be very similar, whatever the instant of measurement since the influence of the environmental conditions on the signals is identical on each structure.
  • Figure 4 shows a top view of two substantially identical structures 401, 402 of the type described in Figure 3. These structures have a variation in thickness and a curvature in the lateral direction and an invariance in the direction longitudinal as can be seen in Figure 3.
  • the 8 horizontal propagation paths 1-2, 4-5,...22-23 are identical to one another. They are different from the previous paths because the structures 401, 402 are not symmetrical with respect to their longitudinal axis.
  • the 6 vertical propagation paths 0-3, 3-6, ... 18-21 are identical to one another.
  • the 6 diagonal propagation paths 0-4, 3-7, ... 18-22 are identical to one another.
  • the 6 diagonal propagation paths 0-5, 3-8, ... 18-23 are identical to each other.
  • the first step 501 consists in acquiring a set of signals by means of the sensors positioned on the structures 401, 402.
  • waveform acquisition 501 is a multi-channel simultaneous acquisition.
  • each sensor is excited in turn to emit an ultrasonic elastic wave which propagates in the structure.
  • the other sensors measure the propagated ultrasonic signals.
  • the sensors are piezoelectric transducers or electromagnetic acoustic transducers or fiber optic Bragg grating sensors.
  • the excitation signals are, for example, signals comprising a series of square pulses centered at a chosen frequency or sinusoid cycles.
  • a filtering time window is applied to the measured signals in order to keep only the useful part of the signal and to possibly eliminate the reflections of the waves at the end of the part as well as the beginning of the signal which corresponds to the electronic coupling with the acquisition system.
  • no excitation signal is used but the sensors each carry out a passive acquisition of the ultrasonic waves generated by mechanical disturbances of the structure. These disturbances come for example from ambient noise, or from air friction on the structure or from vibration of the structure. All the sensors positioned on the structures 401, 402 then operate in reception to measure the propagation of these signals in the structure.
  • the acquisition step 501 then comprises additional steps.
  • the different signals measured are then separated into groups of signals corresponding to a family of identical paths for which the signals can be compared.
  • the notion of identical paths depends on the geometric specificities of the structure as well as on the material that composes it. For example, horizontal and vertical paths may be comparable if the part is isotropic and not comparable otherwise.
  • the structure considered has an absence of left-right symmetry, but an invariance according to the height.
  • the following paths constitute a family: 0-1, 3-4, 6-7, 9-10, 12-13, 15-16, 18-19, 21-22.
  • a second distinct family is formed by 1-2, 4-5... 22-23 due to the lack of symmetry.
  • An additional criterion to be considered in the definition of the propagation paths adopted is the number of identical paths. Indeed, when the number of identical paths in a group is too low, this group of paths is not retained because the statistical processing applied to the signals are subject to too many biases.
  • the four paths 0-8, 3-11, 12-20 and 15-23 are identical to one another, but only four in number. The minimum number of paths in a group depends on the degree of similarity between the paths.
  • a set of characteristics representative of the signals are generated. They can be, without being limited thereto, the energy of the signal calculated in all or part of the useful frequency band and/or in a time window of interest, the maximum amplitude of the signal, instants corresponding to particular points of the signal (for example the maximum or a change to 0), the frequency of the maximum and the value of the maximum in frequency, the coefficients of a decomposition into wavelets, the frequency and temporal centroids.
  • Document [3] lists a set of possible characteristics.
  • each signal indexed by i is represented by a vector of characteristics Xi which corresponds to a point in a multidimensional space.
  • step 504 for each group of signals determined in step 502, a set of first statistical moments is then calculated from the characteristic vectors X of the group. More precisely, the mean and the covariance matrix of the vectors X are calculated for each group.
  • the calculation of the first statistical moments is carried out on a subset of points by filtering out certain points deemed to be aberrant. Indeed, due to the limited number of paths in a group, it is possible that the presence of a fault alters the statistical moments of an entire group. So the calculated statistical moments can be relatively far from those corresponding to a healthy set, which can have the effect of detecting as damaged a healthy signal because the statistic is “moved” towards the damaged case. To avoid this scenario, in a particular embodiment of step 504, an iterative calculation of the moments is carried out.
  • the furthest point is removed from the set to recalculate the moments. We iterate this process until we have converged on a set, and therefore a stable statistic, i.e. until there are no more points beyond a predetermined distance to the average or until the number of points remaining in the group falls below a minimum threshold.
  • step 504 for each group of signals, an average of the characteristic vectors and a covariance matrix are obtained.
  • step 505 a damage indicator equal to a distance from the point to the average calculated at step 503 is then calculated for each point Xi of each group of signals.
  • the distance X m is normalized by the deviation -type o calculated in the direction of the point.
  • the damage indicators calculated in step 505 are compared (step 507) with a predetermined fault detection threshold. If a damage indicator exceeds the detection threshold, a fault is detected in the vicinity of the path connecting the two torque sensors associated with the point considered.
  • the fault detection threshold is, for example, equal to three times the value of the standard deviation calculated on the damage indicators. This standard deviation can be calculated per group of signals or globally for all the signals for which the damage indicator has been calculated.
  • an additional optional step 506 is envisaged in a second embodiment. Step 506 consists in mapping the structures 401, 402 from the damage indicators calculated in step 505.
  • a spatial sampling grid of each structure 401, 402 is defined, the grid defining a set of points of the structure for which one wishes to calculate an indicator of damage.
  • an ellipse is determined around the pair of sensors, this ellipse defining a zone in which points of the spatial sampling grid are located.
  • Ellipses are determined for each pair of sensors of the structure for which a damage indicator was calculated in step 505.
  • the damage indicator calculated for the pair of sensors is assigned to the entire ellipse.
  • a damage indicator is calculated for this point equal to the sum of the damage indicators of the different ellipses. If a point is located in only one ellipse, its damage indicator is equal to that of the ellipse.
  • FIG. 6 schematizes, on the left, an example of an ellipse 600 defined around a pair of sensors E, R.
  • the size of the ellipse 600 is defined so as to take into account indirect paths of the wave 602 in addition to the direct path 601 .
  • a map of the structures 401, 402 is obtained which gives, for each point of the structure, a damage indicator value which is then compared with a fault detection threshold at step 507.
  • An example of mapping 610 is represented on the right of FIG. 6 where it is possible to identify the presence of a defect 611 at the intersection of several ellipses.
  • the fault detection threshold is for example equal to half the maximum possible value for a point of the map. It can be obtained more generally by calibration in a preliminary phase.
  • the step 507 of comparison with a fault detection threshold can be replaced by an automatic learning engine trained to recognize the fine characteristics of the maps resulting from step 506 or of the damage indicator values resulting from the step 505.
  • the learning engine is, for example, a classifier implemented by an artificial neural network or a support vector machine type algorithm or a random forest type algorithm.
  • the learning engine is trained from real or simulated data to recognize the characteristics representative of a defect.
  • the invention can be seen as a dimensionality reduction operation carried out upstream of the automatic learning step.
  • the invention does not directly compare the signals with each other but uses statistical indicators calculated from certain characteristics of the signals, this strategy is therefore more robust (in particular if we make the assumption that the variabilities are insensitive to the environmental conditions modifying the signals).
  • This embodiment variant corresponds to a calibration of the degree of similarity between the paths. It has the advantage of not requiring identical environmental or operational conditions for the reference state and for the subsequent state.
  • the invention is implemented by means of elastic ultrasonic wave sensors.
  • the sensors are chosen from among piezoelectric transducers such as polyvinylidene fluoride films or ceramics based on lead titano-zirconates, electromagnetic acoustic transducers (for example of the EMAT type or magnetostrictive patches) or network sensors of Bragg on fiber optics.
  • the sensors are positioned at predetermined locations of the structures 401 and 402.
  • the sensor arrangements are identical on each of the structures 401, 402 as similarly as possible given the manufacturing constraints. For example, if the wavelengths of interest of the waves used are of the order of 10 millimeters, then a positioning error of the sensors of the order of 1 millimeter leads to a change in the signals measured by a tenth of a cycle. , which may be significant.
  • the sensors are identical to one another within the limits of manufacturing constraints. In particular, variations may exist between the sensors due to calibration faults or manufacturing imperfections.
  • the sensors can be fixed on the structure or directly integrated into the material of the structure.
  • Each sensor is connected to a signal acquisition chain and all of the sensors are connected to a processing unit which is configured to execute the damage index calculation and fault detection method described below. above.
  • the processing unit can be located at a distance from the structures to be controlled.
  • Each structure is equipped with sensors and a signal acquisition chain which also performs the extraction of the characteristics of the signals (step 504).
  • These characteristics represent low bit rate data compared to the measured raw signals and can therefore be transmitted to the remote processing unit by means of a low bit rate wireless technology, for example LoRa tm technology.
  • the processing unit can be produced in software and/or hardware form from a processor and a memory.
  • the processor can be a generic processor, a specific processor, a GPU (Graphics Processing Unit) graphics processor, an application-specific integrated circuit (also known as an ASIC for “Application-Specific Integrated Circuit”) or a in situ programmable gate array (also known as FPGA for "Field-Programmable Gate Array”)
  • the results provided by the processing unit can be displayed on a computer screen or directly on an interface forming part of the device.
  • Each sensor can combine both the function of transmitter and receiver or only one of the two functions.
  • the set of sensors comprises half of sensors having the transmitter function and half of sensors having the receiver function.
  • An advantage of the invention is that it constitutes a physically relevant dimensionality reduction.
  • the calculated damage indicator values correspond to a compression of the raw measurements and therefore, this is advantageous for transferring data in reduced format and/or for storing them and/or training machine learning algorithms.
  • FIG. 7 schematizes a preferred application of the invention which relates to the health check of a set of blades P1, P2, P3 of an aircraft engine R.
  • the blades of a jet engine constitute substantially identical structures from a geometric point of view but also subject to similar operational and environmental conditions.
  • this type of structure has a complex geometry with curvatures and variations in thickness which do not make it possible to use health monitoring methods according to the prior art.
  • the invention advantageously makes it possible to control the appearance of defects on this type of structure.

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Abstract

Méthode de contrôle non destructif d'un ensemble de plusieurs structures (401,402), les structures (401,402) dudit ensemble étant sensiblement identiques, chaque structure (401,402) étant équipée d'une pluralité de capteurs d'ondes élastiques identiques et positionnés à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures, la méthode comprenant les étapes de : Pour chaque couple de capteurs, déterminer un signal caractéristique de la propagation d'une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d'un chemin reliant les capteurs du couple, Regrouper les signaux obtenus par groupes correspondant à des chemins entre capteurs sensiblement identiques, Extraire de chaque signal, une pluralité de caractéristiques représentatives du signal, Au sein de chaque groupe de signaux, déterminer un indicateur de dommage représentatif d'une distance entre chaque vecteur de caractéristiques associé à un couple de capteurs et une moyenne desdits vecteurs de caractéristiques sur l'ensemble des signaux du groupe, Comparer l'indicateur de dommage à un seuil prédéterminé.

Description

DESCRIPTION
Titre de l’invention : Méthode de contrôle non destructif d’un ensemble de structures sensiblement identiques
[0001] L’invention concerne le domaine du contrôle non destructif de structures mécaniques ou contrôle de santé intégré et plus précisément les méthodes ayant pour objectif de détecter la présence de défauts sur ces structures et de les imager.
[0002] Plus précisément, l’invention concerne les méthodes basées sur des ondes élastiques ultrasonores guidées et le contrôle non destructif appliqué à des ensembles de structures sensiblement identiques, par exemple un ensemble de pales d’un réacteur d’avion ou un ensemble de pales d’une éolienne ou encore un ensemble de sections d’un même tuyau. Plus généralement, l’invention s’applique également aux ondes ultrasonores, telles que les ondes de volume.
[0003] En particulier, l’invention s’applique avantageusement aux structures qui sont géométriquement complexes et/ou dont les matériaux sont anisotropes.
[0004] Les méthodes de contrôle non destructif de structures, en particulier les méthodes utilisant des ondes guidées, sont généralement basées sur une comparaison entre une mesure initiale, réalisée lorsque la structure est considérée saine, et une mesure ultérieure réalisée à un instant où la structure est potentiellement endommagée.
[0005] Un problème se pose lorsque les conditions environnementales ou opérationnelles du contrôle varient par rapport à celles de l’état de référence. Les conditions environnementales concernent par exemple la température ou le taux d’humidité. Les conditions opérationnelles concernent des changements mécaniques impactant la structure lors de son fonctionnement opérationnel. De tels changements mécaniques peuvent influer sur la propagation des ondes. Par exemple, dans le cas de pales d’un moteur en rotation, la force centrifuge affecte la propagation des ondes de façon non uniforme, mais de manière sensiblement identique sur toutes les pales.
[0006] Ce problème se pose particulièrement pour les applications de contrôle de santé intégré de structures pour lesquelles on utilise des capteurs intégrés dans une structure à contrôler. Un avantage de cette technologie est de pouvoir réaliser le contrôle de la structure fréquemment et sans nécessité d’arrêter l’exploitation de la structure.
[0007] Dans un tel cas de figure, la comparaison entre la mesure initiale et la mesure ultérieure est faussée car il n’est pas possible de différencier la contribution, dans la mesure, d’un défaut, de celle d’une variation des conditions environnementales.
[0008] Ce phénomène est illustré à la figure 1 qui représente une structure ST à contrôler au moyen d’un couple de capteurs à ultrasons E,R.
[0009] Pour contrôler l’état de la structure entre les capteurs E et R, une onde ulltrasonore UL est émise par le capteur E et se propage dans la structure ST jusqu’à être mesurée par le capteur R.
[0010] A l’instant de référence (a), la structure ST est soumise à des conditions de température T°o.
[0011] A un instant ultérieur (b), un défaut apparait entre le capteur E et le capteur R. Les conditions de température sont identiques à celles de l’état de référence.
[0012] Les signaux mesurés par le capteur R à l’instant de référence (a) et à l’instant (b) sont représentés superposés sur le diagramme 101. Le diagramme 102 représente le résultat de la soustraction des deux signaux du diagramme 101 qui laisse apparaitre la signature d’un défaut puisque les autres variations du signal liées aux conditions environnementales sont identiques pour les deux mesures.
[0013] A l’inverse, lorsque les conditions de température évoluent vers une valeur T°i à un instant c), les variations du signal liées aux conditions environnementales ne sont plus identiques entre l’état de référence et la mesure à l’instant c). Le diagramme 103 représente la superposition des signaux aux instants a) et c). Le diagramme 104 représente la différence entre les deux signaux. On remarque sur le diagramme 104 que la signature du défaut ne peut plus être différenciée par rapport aux différences de variations du signal liées à l’évolution de la température.
[0014] Il existe donc un besoin pour une méthode de contrôle non destructif d’une structure équipée de capteurs intégrés qui s’affranchit de l’évolution des conditions environnementales et opérationnelles de la structure à contrôler.
[0015] La référence [1] décrit une méthode de contrôle non destructif qui consiste à positionner plusieurs couples de capteurs émetteur-récepteur sur la structure à contrôler afin de définir plusieurs chemins de propagation sensiblement identiques entre les différents couples de capteurs. Par chemins de propagation sensiblement identiques, on entend des chemins entre deux points de la structure ayant la même distance, la même géométrie, les mêmes propriétés mécaniques et étant soumises aux mêmes conditions environnementales et opérationnelles. En comparant les mesures obtenues sur les différents chemins identiques, il est possible de détecter un défaut sur l’un des chemins lorsque la mesure correspondante diffère de celle des autres chemins.
[0016] Cette méthode présente l’avantage de ne pas dépendre de l’évolution des conditions environnementales affectant la structure au cours du temps puisque la similitude des chemins choisis implique l’hypothèse qu’ils sont tous impactés de façon identique par les changements d’état de la structure.
[0017] La méthode précitée est illustrée à la figure 2 qui représente un exemple de structure équipée de trois couples de capteurs définissant trois chemins identiques 201 ,202,203. Les chemins 201 ,202 sont sains tandis que le chemin 203 est impacté par un défaut. Les mesures 211 ,212 réalisées à l’aide des capteurs définissant les chemins sains 201 ,202 permettent de générer une mesure de référence 213 caractérisant l’état sain de la structure. En calculant la différence entre cette mesure de référence 213 et une mesure 214 réalisée sur le chemin 203, on obtient une signature 215 du défaut.
[0018] Une application de cette méthode à un panneau composite est décrite dans la référence [2],
[0019] Un inconvénient de cette méthode est qu’elle nécessite de définir des chemins strictement identiques du point de vue de la propagation des ondes ultrasonores le long de ces chemins et des conditions opérationnelles de fonctionnement de la structure. En pratique, cette contrainte ne peut pas toujours être respectée pour toutes les structures par exemple si le matériau de la structure est anisotrope ou si la géométrie de la structure est complexe et présente des variations d’épaisseur et des courbures ou encore du fait de variabilités liées aux capteurs et à leur couplage sur la structure. [0020] Un autre inconvénient de cette méthode est qu’elle nécessite de comparer les mesures brutes des signaux entre elles, ce qui ne conduit pas toujours à un résultat fiable.
[0021 ] L’invention propose de résoudre les limitations des méthodes précitées en exploitant plusieurs structures sensiblement identiques ou plusieurs parties sensiblement identiques d’une même structure qui sont soumises aux mêmes conditions environnementales. L’invention est particulièrement adaptée au contrôle non destructif de systèmes composés de plusieurs structures sensiblement identiques tels que les ensembles de pales d’un réacteur d’avion.
[0022] L’invention a pour objet une méthode de contrôle non destructif d’un ensemble de plusieurs structures supportant des modes de propagation d’ondes élastiques ultrasonores, les structures dudit ensemble étant sensiblement identiques, chaque structure étant équipée d’une pluralité de capteurs d’ondes élastiques identiques et positionnés à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures, la méthode comprenant les étapes de :
- Pour chaque couple de capteurs, déterminer un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple,
- Regrouper les signaux obtenus par groupes correspondant à des chemins entre capteurs sensiblement identiques du point de vue de la propagation de l’onde le long du chemin,
- Extraire de chaque signal, une pluralité de caractéristiques représentatives du signal sous forme d’un vecteur de caractéristiques,
- Au sein de chaque groupe de signaux, déterminer un indicateur de dommage représentatif d’une distance entre chaque vecteur de caractéristiques associé à un couple de capteurs et une moyenne desdits vecteurs de caractéristiques sur l’ensemble des signaux du groupe,
- Comparer l’indicateur de dommage à un seuil prédéterminé et conclure à la présence d’un défaut sur le chemin entre un couple de capteurs si l’indicateur de dommage associé à ce couple est supérieur audit seuil. [0023] Dans une variante de réalisation, la méthode comprend en outre une étape préalable de définir plusieurs groupes de chemins entre capteurs sensiblement identiques du point de vue de la propagation de l’onde le long du chemin en prenant en compte au moins une des contraintes parmi : une contrainte de similitude géométrique, une contrainte de similitude de la composition des matériaux formant les structures, une contrainte de similitude de l’environnement auquel sont soumis les structures, une contrainte de similitude des conditions opérationnelles auxquelles sont soumises les structures.
[0024] Selon un aspect particulier de l’invention, les caractéristiques représentatives extraites du signal sont prises parmi : l’énergie du signal, I’ amplitude maximale du signal, un instant correspondant à un point particulier du signal, la fréquence du maximum du signal, la valeur du maximum du signal en fréquence, les coefficients d’ une décomposition en ondelettes appliquée aux signaux, des centroïdes fréquentiels et temporels.
[0025] Dans une variante de réalisation, la méthode comprend en outre les étapes de :
- Echantillonner spatialement chaque structure en une pluralité de points,
- Calculer une ellipse autour de chaque couple de capteurs,
- Affecter à chaque point situé à l’intérieur d’une ellipse la valeur de l’indicateur de dommage calculé pour le couple de capteurs,
- Pour chaque point situé à l’intérieur de plusieurs ellipses, sommer les valeurs d’indicateur de dommage correspondantes,
- Comparer l’indicateur de dommage à un seuil prédéterminé et conclure à la présence d’un défaut aux alentours du point si l’indicateur de dommage associé à ce point est supérieur audit seuil.
[0026] Dans une variante de réalisation, la méthode comprend en outre : une étape préalable de détermination d’indicateurs de dommages initiaux pour les mêmes structures dans un état initial sain, une étape de soustraction des indicateurs de dommages initiaux aux indicateurs de dommages déterminés pour lesdites structures dans un état ultérieur.
[0027] Dans une variante de réalisation, la méthode comprend une étape de calcul, pour chaque groupe de signaux, de moments statistiques appliqués aux vecteurs de caractéristiques et comprenant au moins un calcul de moyenne et d’une matrice de covariance.
[0028] Dans une variante de réalisation, l’étape de calcul de moments statistiques est réalisée de façon itérative en supprimant, à chaque itération, le vecteur de caractéristiques présentant une distance supérieure à un seuil prédéterminé la plus élevée par rapport à la moyenne desdits vecteurs.
[0029] Selon un aspect particulier de l’invention, l’étape de déterminer un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple est réalisée en émettant une onde élastique ultrasonore depuis le premier capteur du couple et mesurant à l’aide du second capteur du couple l’onde élastique ultrasonore propagée dans la structure.
[0030] Selon un aspect particulier de l’invention, l’étape de déterminer un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple est réalisée en :
- Mesurant à l’aide des deux capteurs du couple, la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure, issue de vibrations mécaniques impactant la structure dans son comportement opérationnel ;
- Calculant une corrélation entre les signaux mesurés par les deux capteurs du couple.
- Convoluant le résultant de la corrélation avec un signal de spectre prédéterminé.
[0031] L’invention a aussi pour objet un système de contrôle non destructif d’un ensemble de plusieurs structures supportant des modes de propagation guidée d’ondes élastiques ultrasonores, les structures dudit ensemble étant sensiblement identiques, le système comprenant une pluralité de capteurs d’ondes élastiques destinés à être positionnés à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures et une unité de calcul configurée pour exécuter les étapes de la méthode de contrôle non destructif selon l’invention à partir des signaux mesurés par lesdits capteurs.
[0032] Dans une variante de réalisation le système selon l’invention comprend en outre une interface d’affichage pour afficher une cartographie desdites structures à partir des indices de dommage calculés.
[0033] Selon un aspect particulier de l’invention, les capteurs d’ondes élastiques sont choisis parmi des transducteurs piézoélectriques, des transducteurs acoustiques électromagnétiques ou des capteurs à réseau de Bragg sur fibre optique.
[0034] L’invention a aussi pour objet un ensemble de plusieurs structures supportant des modes de propagation guidée d’ondes élastiques ultrasonores, les structures dudit ensemble étant sensiblement identiques et étant équipées du système de contrôle non destructif selon l’invention, les capteurs d’ondes élastiques dudit système étant à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures.
[0035] Selon un aspect particulier de l’invention, ledit ensemble étant constitué par un ensemble de pales d’un réacteur d’avion.
[0036] Selon un aspect particulier de l’invention,, ledit ensemble étant constitué par un ensemble de sections cylindriques identiques connectées pour former un tuyau.
[0037] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
[0038] [Fig. 1] illustre le principe d’une méthode de contrôle non destructif basée sur un état de référence selon l’art antérieur,
[0039] [Fig. 2] illustre une autre méthode de contrôle non destructif basée sur une comparaison entre chemins identiques sur une même structure,
[0040] [Fig. 3] illustre, sur un schéma, le principe sur lequel est basée l’invention,
[0041] [Fig. 4] illustre un exemple d’agencement de capteurs sur deux structures sensiblement identiques, [0042] [Fig. 5] schématise, sur un organigramme, les étapes de mise en œuvre d’un procédé de contrôle non destructif selon l’invention,
[0043] Fig. 6] illustre un exemple de cartographie d’une structure obtenue avec l’invention.,
[0044] [Fig. 7] représente un schéma d’une application préférentielle de l’invention pour contrôler l’état de santé de pales d’un réacteur d’avion.
[0045] Par la suite, l’invention est décrite dans le cas d’application d’ondes ultrasonores guidées, cependant l’invention s’applique à l’identique en utilisant des ondes de volumes.
[0046] Le principe de l’invention consiste à réaliser plusieurs mesures d’ondes ultrasonores guidées entre des paires de capteurs émetteur-récepteur situés aux mêmes positions sur des structures sensiblement identiques de telle manière que la propagation de l’onde parcourt des chemins identiques vis-à-vis de la géométrie de la pièce, des propriétés du matériau mais aussi des conditions environnementales et opérationnelles. Par exemple, dans le cas d’une structure correspondant à un tuyau, on peut considérer que le tuyau, de section constante, est formé de plusieurs parties identiques entre elles d’un point de vue géométrique et étant composées des mêmes matériaux. Cependant, ces différentes parties d’un même tuyau peuvent être soumises à des conditions environnementales différentes. C’est le cas par exemple lorsqu’une partie du tuyau est au soleil et une autre partie à l’ombre. Dans ce cas, les différentes parties du tuyau sont soumises à des températures différentes ce qui peut impacter la propagation des ondes même sur des chemins identiques géométriquement. En outre, les conditions opérationnelles de fonctionnement de la structure peuvent également avoir un impact sur la propagation des ondes. Par exemple, si une partie du tuyau comporte un contenu chaud et une autre partie du tuyau comporte un contenu froid, les différences de température vont aussi impacter la propagation des signaux. Les variabilités de propagation des ondes peuvent également provenir de vibrations impactant différemment les différentes parties du tuyau.
[0047] Par la suite, la notion de chemins sensiblement identiques doit être comprise comme signifiant des chemins ayant sensiblement la même géométrie, parcourant des structures composées des mêmes matériaux et étant soumises aux mêmes conditions environnementales et opérationnelles. Bien entendu, l’expression « sensiblement identique » doit être comprise comme signifiant identique aux tolérances prêt de fabrication, d’intégration des capteurs sur la structure et de mesures de l’impact des conditions environnementales et opérationnelles.
[0048] Par ailleurs, les capteurs positionnés sur les structures pour définir les chemins doivent également être sensiblement identiques pour limiter la variabilité des conditions de fonctionnement des capteurs.
[0049] La figure 3 schématise N structures sensiblement identiques qui subissent les mêmes conditions opérationnelles et environnementales (notamment température, humidité) au cours du temps. Sur chacune de ces structures, un couple de capteurs E,R est positionné aux mêmes positions. Un chemin de propagation identique est donc défini sur l’ensemble des structures. En l’absence de défaut, les signaux mesurés sont censés être très similaires, quel que soit l’instant de mesure puisque l’influence des conditions environnementales sur les signaux est identique sur chaque structure.
[0050] Dès lors, l’apparition d’un défaut sur l’un des chemins (par exemple sur la structure i identifiée à la figure 3 modifie le signal correspondant. Une comparaison entre toutes les mesures permet d’identifier celle qui se démarque des autres et qui correspond à un potentiel défaut. Pour cela, un calcul d’indicateur de dommage est réalisé pour chaque structure et comparé à un seuil de détection de défaut comme illustré sur le diagramme du bas de la figure 3.
[0051] La figure 4 schématise une vue de dessus de deux structures sensiblement identiques 401 ,402 du type de celles décrites à la figure 3. Ces structures présentent une variation d’épaisseur et une courbure dans le sens latéral et une invariance dans le sens longitudinal comme cela peut être visualisé sur la figure 3.
[0052] Sur l’exemple de la figure 4, douze capteurs sont positionnés sur chacune des structures 401 ,402 à des positions identiques. Sur la droite de la figure 4 on a représenté quelques chemins identiques entre couples de capteurs au vu des propriétés mécaniques et de la géométrie des structures. [0053] Par exemple, les 8 chemins de propagation horizontaux 0-1 ,3-4,6-7,9-10,12- 13, 15-16, 18-19 et 21-22 sont identiques entre eux.
[0054] Les 8 chemins de propagation horizontaux 1-2, 4-5, ... 22-23 sont identiques entre eux. Ils sont différents des chemins précédents car les structures 401 ,402 ne sont pas symétriques par rapport à leur axe longitudinal.
[0055] Les 6 chemins de propagation verticaux 0-3, 3-6, ... 18-21 sont identiques entre eux.
[0056] Les 6 chemins de propagation diagonaux 0-4, 3-7, ... 18-22 sont identiques entre eux.
[0057] Les 6 chemins de propagation diagonaux 0-5, 3-8, ... 18-23 sont identiques entre eux.
[0058] La liste ci-dessus n’est pas exhaustive et d’autres groupes de chemins de propagation identiques peuvent être définis.
[0059] L’organigramme de la figure 5 détaille les étapes de mise en œuvre de la méthode de contrôle non destructif selon un mode de réalisation de l’invention.
[0060] La première étape 501 consiste à acquérir un ensemble de signaux au moyen des capteurs positionnés sur les structures 401 ,402. Par exemple, l’acquisition de signaux 501 est une acquisition simultanée multivoies. Au sein de chaque structure 401 ,402, chaque capteur est excité tour à tour pour émettre une onde élastique ultrasonore qui se propage dans la structure. Les autres capteurs mesurent les signaux ultrasonores propagés. Par exemple, les capteurs sont des transducteurs piézoélectriques ou des transducteurs acoustiques électromagnétiques ou des capteurs à réseau de Bragg sur fibre optique.
[0061] Les signaux d’excitation sont, par exemple, des signaux comprenant une série d’impulsions carrées centrées à une fréquence choisie ou des cycles de sinusoïde.
[0062] Dans une étape de pré-traitement, on applique une fenêtre temporelle de filtrage aux signaux mesurés afin de ne conserver que la partie utile du signal et de supprimer éventuellement les réflexions des ondes en bout de pièce ainsi que le début du signal qui correspond au couplage électronique avec le système d’acquisition. [0063] Dans une variante de réalisation de l’invention, aucun signal d’excitation n’est utilisé mais les capteurs réalisent chacun une acquisition passive des ondes ultrasonores générées par des perturbations mécaniques de la structure. Ces perturbations proviennent par exemple du bruit ambiant, ou d’un frottement de l’air sur la structure ou d’une vibration de la structure. Tous les capteurs positionnés sur les structures 401 ,402 fonctionnent alors en réception pour mesurer la propagation de ces signaux dans la structure. L’étape 501 d’acquisition comporte alors des étapes supplémentaires. Pour chaque couple de capteurs définissant un chemin, les signaux mesurés par les deux capteurs du couple sont corrélés, puis le résultat de la corrélation est convolué avec un signal d’excitation pour obtenir une réponse sur une bande de fréquences limitée. En réalisant ces deux étapes de traitement supplémentaires, on obtient un signal comparable à celui obtenu avec le premier mode de réalisation (capteurs fonctionnant en émetteur et récepteur successivement). L’Homme du métier trouvera plus d’indications sur la mise en œuvre d’acquisition passive à l’aide de capteurs d’ondes ultrasonores par exemple dans les demandes de brevet FR3060743A1 , FR3105554A1 , W02019091705A1 .
[0064] A l’étape 502, on sépare ensuite les différents signaux mesurés en groupes de signaux correspondant à une famille de chemins identiques pour lesquels les signaux peuvent être comparés. La notion de chemins identiques dépend des spécificités géométriques de la structure ainsi que du matériau qui la compose. Par exemple, des trajets horizontaux et verticaux peuvent être comparables si la pièce est isotrope et non comparables sinon. Dans l’exemple des figures 3 et 4, la structure considérée comporte une absence de symétrie gauche droite, mais une invariance selon la hauteur. Dans un tel exemple, les chemins suivants constituent une famille : 0-1 , 3-4, 6-7, 9-10, 12-13, 15-16, 18-19, 21-22. Une seconde famille distincte est constituée par 1-2, 4-5... 22-23 en raison de l’absence de symétrie.
[0065] A l’issue de l’étape 502, on obtient donc des groupes de signaux comparables.
[0066] Un critère supplémentaire à considérer dans la définition des chemins de propagation retenus est le nombre de chemins identiques. En effet, lorsque le nombre de chemins identiques dans un groupe est trop faible, ce groupe de chemins n’est pas retenu car les traitements statistiques appliqués aux signaux sont soumis à trop de biais. Dans l’exemple de la figure 4, les quatre chemins 0-8, 3-11 , 12-20 et 15-23 sont identiques entre eux, mais seulement au nombre de quatre. Le nombre minimum de chemins dans un groupe dépend du degré de similitude entre les chemins.
[0067] Plus les chemins sont similaires entre eux, c’est-à-dire moins il y a de variations au niveau des conditions environnementales et opérationnelles, du matériau et des capteurs, plus les signaux acquis pour ces chemins sont similaires. Par conséquent, l’impact d’un endommagement de la structure sur l’un de ces signaux sera alors facilement détectable par comparaison. Si les chemins ont des variations importantes entre eux, alors il est nécessaire d’avoir un échantillon statistique de chemins en nombre plus important pour être représentatif de ces variations.
[0068] A l’étape 503, pour chaque signal, un ensemble de caractéristiques représentatives des signaux sont générées. Elles peuvent être, sans être limitées à celles-ci, l’énergie du signal calculée dans tout ou partie de la bande de fréquence utile et/ou dans une fenêtre temporelle d’intérêt, l’amplitude maximale du signal, des instants correspondants à des points particuliers du signal (par exemple le maximum ou un passage à 0), la fréquence du maximum et la valeur du maximum en fréquence, les coefficients d’une décomposition en ondelettes, les centroïdes fréquentiels et temporels. Le document [3] liste un ensemble de caractéristiques possibles.
[0069] A l’issue de l’étape 503, chaque signal indicé par i est représenté par un vecteur de caractéristiques Xi qui correspond à un point dans un espace multidimensionnel.
[0070] A l’étape 504 on calcule ensuite, pour chaque groupe de signaux déterminé à l’étape 502, un ensemble de premiers moments statistiques à partir des vecteurs de caractéristiques X du groupe. Plus précisément on calcule la moyenne et la matrice de covariance des vecteurs X pour chaque groupe.
[0071] Optionnellement, le calcul des premiers moments statistiques est réalisé sur un sous ensemble de points en filtrant certains points jugés aberrants. En effet, en raison du nombre limité de chemins dans un groupe, il est possible que la présence d’un défaut altère les moments statistiques d’un groupe entier. Ainsi les moments statistiques calculés peuvent être relativement éloignés de ceux correspondant à un ensemble sain, ce qui peut avoir pour effet de détecter comme endommagé un signal sain du fait que la statistique soit « déplacée » vers le cas endommagé. Pour éviter ce cas de figure, dans un mode de réalisation particulier de l’étape 504, un calcul itératif des moments est réalisé. Une fois la statistique calculée une première fois, on vérifie si un point Xi se trouve à une distance trop importante de la moyenne en termes d’écarts types dans la direction associée (par exemple 3 écarts-types). A noter que, comme la statistique est multi-dimensionnelle, il faut calculer l’écart-type dans la direction du point considéré. Plus précisément, si C est la matrice de covariance, Xi le point considéré et Xm la moyenne des points, l’écart-type ou déviation standard dans la direction du point Xi est donnée par la relation : a =
[0072] Le point le plus éloigné est retiré de l’ensemble pour recalculer les moments. On itère ce procédé jusqu’à avoir convergé vers un ensemble, et donc une statistique, stable, c’est-à-dire jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de points au-delà d’une distance prédéterminée à la moyenne ou jusqu’à ce que le nombre de points restants dans le groupe passe en dessous d’un seuil minimum.
[0073] A l’issue de l’étape 504, on obtient pour chaque groupe de signaux, une moyenne des vecteurs de caractéristiques ainsi qu’une matrice de covariance. A l’étape 505, on calcule ensuite, pour chaque point Xi de chaque groupe de signaux, un indicateur de dommage égal à une distance du point à la moyenne calculée à l’étape 503. La distance Xm est normalisée par l’écart-type o calculé dans la direction du point.
[0074] Selon un premier mode de réalisation de l’invention, les indicateurs de dommages calculés à l’étape 505 sont comparés (étape 507) à un seuil de détection de défaut prédéterminé. Si un indicateur de dommages dépasse le seuil de détection, un défaut est détecté au voisinage du chemin reliant les deux capteurs du couple associé au point considéré. Le seuil de détection de défauts est, par exemple, égal à trois fois la valeur de l’écart type calculé sur les indicateurs de dommage. Cet écart type peut être calculé par groupe de signaux ou globalement pour tous les signaux pour lesquels l’indicateur de dommage a été calculé. [0075] Afin d’améliorer la probabilité de bonne détection et de diminuer la probabilité de fausse alarme, une étape optionnelle 506 supplémentaire est envisagée dans un second mode de réalisation. L’étape 506 consiste à cartographier les structures 401 , 402 à partir des indicateurs de dommages calculés à l’étape 505. Autrement dit, on définit une grille d’échantillonnage spatial de chaque structure 401 ,402, la grille définissant un ensemble de points de la structure pour lesquels on souhaite calculer un indicateur de dommage. Ensuite, pour chaque indicateur de dommage calculé à l’étape 505 et associé à un couple de capteurs, on détermine une ellipse autour du couple de capteurs, cette ellipse définissant une zone dans laquelle sont situés des points de la grille d’échantillonnage spatial. On détermine des ellipses pour chaque couple de capteurs de la structure pour lesquels un indicateur de dommages a été calculé à l’étape 505. On affecte à toute l’ellipse l’indicateur de dommages calculé pour le couple de capteurs. Ensuite, lorsqu’un point de la grille d’échantillonnage spatial est situé dans plusieurs ellipses, on calcule un indicateur de dommages pour ce point égal à la somme des indicateurs de dommages des différentes ellipses. Si un point n’est situé que dans une seule ellipse, son indicateur de dommages est égal à celui de l’ellipse.
[0076] La figure 6 schématise, sur la gauche, un exemple d’ellipse 600 définie autour d’un couple de capteurs E,R. La taille de l’ellipse 600 est définie de sorte à prendre en compte des trajets indirects de l’onde 602 en plus du trajet direct 601 .
[0077] A l’issue de l’étape 506, on obtient une cartographie des structures 401 ,402 qui donne, pour chaque point de la structure une valeur d’indicateur de dommages qui est ensuite comparée à un seuil de détection de défaut à l’étape 507. Un exemple de cartographie 610 est représenté sur la droite de la figure 6 où l’on peut identifier la présence d’un défaut 611 à l’intersection de plusieurs ellipses. Le seuil de détection de défaut est par exemple égal à la moitié de la valeur maximale possible pour un point de la cartographie. Il peut être obtenu plus généralement par calibration dans une phase préalable. L’étape 507 de comparaison à un seuil de détection de défaut peut être remplacée par un moteur d’apprentissage automatique entrainé pour reconnaître les caractéristiques fines des cartographies issues de l’étape 506 ou des valeurs d’indicateur de dommage issues de l’étape 505. Le moteur d’apprentissage est, par exemple s’agirait un classifieur mis en œuvre par un réseau de neurones artificiels ou un algorithme de type machine à vecteur de support ou un algorithme du type forêt aléatoire ou« random forest » en anglais. Le moteur d’apprentissage est entrainé à partir de données réelles ou simulées pour reconnaître les caractéristiques représentatives d’un défaut. Dans cette variante, l’invention peut être vue comme une opération de réduction de dimensionnalité réalisée en amont de l’étape d’apprentissage automatique.
[0078] Dans une autre variante de réalisation, dans le cas où les mesures réalisées sur les structures présentent une grande variabilité liée par exemple aux types de matériaux, ou à l’instrumentation des capteurs, on exploite une acquisition ayant été réalisée lorsque les structures étaient saines, par exemple à un instant initial de mise en service. Le même procédé décrit à la figure 5 est appliqué, permettant de déterminer les indicateurs de dommages pour les structures dans leur état de référence, ce qui permet de prendre en compte la variabilité des structures et de l’instrumentation. En soustrayant ces indicateurs de dommages initiaux aux indicateurs de dommages calculés à un instant ultérieur, la variabilité des mesures liée à l’instrumentation et aux pièces est réduite. Contrairement à un état de référence usuel tel qu’envisagé dans l’état de l’art, l’invention ne compare pas directement les signaux entre eux mais utilise des indicateurs statistiques calculés à partir de certaines caractéristiques des signaux, cette stratégie est donc plus robuste (en particulier si on fait l’hypothèse que les variabilités sont insensibles aux conditions environnementales venant modifier les signaux). Cette variante de réalisation correspond à une calibration du degré de similitude entre les chemins. Elle présente l’avantage de ne pas nécessiter de conditions environnementales ou opérationnelles identiques pour l’état de référence et pour l’état ultérieur.
[0079] L’invention est mise en œuvre au moyen de capteurs d’ondes ultrasonores élastiques.
[0080] Les capteurs sont choisis parmi des transducteurs piézoélectriques tels que des films en Polyfluorure de vinylidène ou des céramiques à base de titano- zirconates de plomb, des transducteurs acoustiques électromagnétiques (par exemple de type EMAT ou patchs magnétostrictifs) ou des capteurs à réseau de Bragg sur fibre optique. [0081 ] Les capteurs sont positionnés à des endroits prédéterminés des structures 401 et 402. Les agencements de capteurs sont identiques sur chacune des structures 401 ,402 de façon aussi similaire que possible compte tenu des contraintes de fabrication. Par exemple, si les longueurs d’onde d’intérêt des ondes utilisées sont de l’ordre de 10 millimètres, alors une erreur de positionnement des capteurs de l’ordre de 1 millimètre entraine un changement des signaux mesuré d’un dixième de cycle, ce qui peut être significatif.
[0082] Les capteurs sont identiques entre eux dans les limites des contraintes de fabrication. En particulier, des variations peuvent exister entre les capteurs dues à des défauts de calibration ou des imperfections de fabrication.
[0083] Les capteurs peuvent être fixés sur la structure ou directement intégrés dans le matériau de la structure.
[0084] Chaque capteur est relié à une chaine d’acquisition de signal et l’ensemble des capteurs sont reliés à une unité de traitement qui est configurée pour exécuter la méthode de calcul d’indice de dommage et de détection de défaut décrite ci-dessus.
[0085] L’unité de traitement peut être située à distance des structures à contrôler. Chaque structure est munie de capteurs et d’une chaine d’acquisition de signal qui réalise également l’extraction des caractéristiques des signaux (étape 504). Ces caractéristiques représentent des données à faible débit comparées aux signaux bruts mesurés et peuvent donc être transmis à l’unité de traitement distante au moyen d’une technologie sans fil bas débit, par exemple la technologie LoRatm.
[0086] L’unité de traitement peut être réalisée sous forme logicielle et/ou matérielle à partir d’un processeur et une mémoire. Le processeur peut être un processeur générique , un processeur spécifique, un processeur graphique GPU (Graphie Processing Unit), un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d’ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gate Array »)
[0087] Les résultats fournis par l’unité de traitement peuvent être affichés sur un écran d’ordinateur ou directement sur une interface faisant partie du dispositif. [0088] Chaque capteur peut cumuler à la fois la fonction d’émetteur et de récepteur ou seulement l’une des deux fonctions. Dans ce second cas, il y a au moins un capteur ayant la fonction d’émetteur et au moins un capteur ayant la fonction de récepteur parmi l’ensemble des capteurs. Avantageusement, l’ensemble des capteurs comprend une moitié de capteurs ayant la fonction d’émetteur et une moitié de capteurs ayant la fonction de récepteur.
[0089] Un avantage de l’invention est qu’elle constitue une réduction de dimensionnalité physiquement pertinente. Les valeurs d’indicateurs de dommages calculés correspondent à une compression des mesures brutes et par conséquent, cela est avantageux pour transférer des données en format réduit et/ou pour les stocker et/ou entrainer des algorithmes d’apprentissage machine.
[0090] La figure 7 schématise une application préférentielle de l’invention qui concerne le contrôle de santé d’un ensemble de pales P1 ,P2,P3 d’un réacteur R d’avion. Comme cela peut être visualisé sur la figure 7, les pales d’un réacteur constituent des structures sensiblement identiques d’un point de vue géométrique mais aussi soumises à des conditions opérationnelles et environnementales similaires. Par ailleurs ce type de structure présente une géométrie complexe avec des courbures et des variations d’épaisseur qui ne rendent pas possibles l’utilisation des méthodes de contrôle de santé selon l’art antérieur. L’invention permet avantageusement de contrôler l’apparition de défauts sur ce type de structures.
[0091 ] Références
[0092] [1] Anton, S. R., Inman, D. J., & Park, G. (2009). Reference-free damage detection using instantaneous baseline measurements. AIAA journal, 47(8), 1952- 1964.
[0093] [2] Salmanpour, M. S., Khodaei, Z. S., & Aliabadi, M. H. (2016). Instantaneous baseline damage localization using sensor mapping. IEEE Sensors Journal, 17(2), 295-301 .
[0094] [3] Morizet, Nicolas, et al. "Classification of acoustic emission signals using wavelets and Random Forests: Application to localized corrosion." Mechanical Systems and Signal Processing 70 (2016): 1026-1037.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Méthode de contrôle non destructif d’un ensemble de plusieurs structures
(401 ,402) supportant des modes de propagation d’ondes élastiques ultrasonores, les structures (401 ,402) dudit ensemble étant sensiblement identiques, chaque structure (401 ,402) étant équipée d’une pluralité de capteurs d’ondes élastiques sensiblement identiques et positionnés à des emplacements sensiblement identiques de chacune des structures, la méthode comprenant les étapes de :
- Pour chaque couple de capteurs, déterminer (501 ) un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple,
- Regrouper (502) les signaux obtenus par groupes correspondant à des chemins entre capteurs sensiblement identiques du point de vue de la propagation de l’onde le long du chemin,
- Extraire (503) de chaque signal, une pluralité de caractéristiques représentatives du signal sous forme d’un vecteur de caractéristiques,
- Au sein de chaque groupe de signaux, déterminer (505) un indicateur de dommage représentatif d’une distance entre chaque vecteur de caractéristiques associé à un couple de capteurs et une moyenne desdits vecteurs de caractéristiques sur l’ensemble des signaux du groupe,
- Comparer (507) l’indicateur de dommage à un seuil prédéterminé et conclure à la présence d’un défaut sur le chemin entre un couple de capteurs si l’indicateur de dommage associé à ce couple est supérieur audit seuil.
2. Méthode de contrôle non destructif selon la revendication 1 comprenant en outre une étape préalable de définir plusieurs groupes de chemins entre capteurs sensiblement identiques du point de vue de la propagation de l’onde le long du chemin en prenant en compte au moins une des contraintes parmi : une contrainte d’identité géométrique, une contrainte d’identité de la composition des matériaux formant les structures, une contrainte d’identité de l’environnement auquel sont soumises les structures, une contrainte d’identité des conditions opérationnelles auxquelles sont soumises les structures. Méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les caractéristiques représentatives extraites du signal sont prises parmi : l’énergie du signal, I’ amplitude maximale du signal, un instant correspondant à un point particulier du signal, la fréquence du maximum du signal, la valeur du maximum du signal en fréquence, les coefficients d’ une décomposition en ondelettes appliquée aux signaux, des centroïdes fréquentiels et temporels. Méthode de contrôle non destructif selon l’une des revendications précédentes comprenant en outre les étapes (506) de :
- Echantillonner spatialement chaque structure en une pluralité de points,
- Calculer une ellipse autour de chaque couple de capteurs,
- Affecter à chaque point situé à l’intérieur d’une ellipse la valeur de l’indicateur de dommage calculé pour le couple de capteurs,
- Pour chaque point situé à l’intérieur de plusieurs ellipses, sommer les valeurs d’indicateur de dommage correspondantes,
- Comparer l’indicateur de dommage à un seuil prédéterminé et conclure à la présence d’un défaut aux alentours du point si l’indicateur de dommage associé à ce point est supérieur audit seuil. Méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre :
- une étape préalable de détermination d’indicateurs de dommages initiaux pour les mêmes structures dans un état initial sain,
- une étape de soustraction des indicateurs de dommages initiaux aux indicateurs de dommages déterminés pour lesdites structures dans un état ultérieur. Méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant une étape (504) de calcul, pour chaque groupe de signaux, de moments statistiques appliqués aux vecteurs de caractéristiques et comprenant au moins un calcul de moyenne et d’une matrice de covariance. Méthode de contrôle non destructif selon la revendication 6 dans laquelle l’étape (504) de calcul de moments statistiques est réalisée de façon itérative en supprimant, à chaque itération, le vecteur de caractéristiques présentant une distance supérieure à un seuil prédéterminé la plus élevée par rapport à la moyenne desdits vecteurs. Méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle l’étape (501) de déterminer un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple est réalisée en émettant une onde élastique ultrasonore depuis le premier capteur du couple et mesurant à l’aide du second capteur du couple l’onde élastique ultrasonore propagée dans la structure. Méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle l’étape (501 ) de déterminer un signal caractéristique de la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure le long d’un chemin reliant les capteurs du couple est réalisée en :
- Mesurant à l’aide des deux capteurs du couple, la propagation d’une onde élastique ultrasonore dans la structure, issue de vibrations mécaniques impactant la structure dans son comportement opérationnel ;
- Calculant une corrélation entre les signaux mesurés par les deux capteurs du couple.
- Convoluant le résultant de la corrélation avec un signal de spectre prédéterminé. Système de contrôle non destructif d’un ensemble de plusieurs structures supportant des modes de propagation guidée d’ondes élastiques ultrasonores, les structures dudit ensemble étant sensiblement identiques, le système comprenant une pluralité de capteurs d’ondes élastiques destinés à être positionnés à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures et une unité de calcul configurée pour exécuter les étapes de la méthode de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications précédentes à partir des signaux mesurés par lesdits capteurs. Système de contrôle non destructif selon la revendication 10 comprenant en outre une interface d’affichage pour afficher une cartographie desdites structures à partir des indices de dommage calculés. Système de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11 dans lequel les capteurs d’ondes élastiques sont choisis parmi des transducteurs piézoélectriques, des transducteurs acoustiques électromagnétiques ou des capteurs à réseau de Bragg sur fibre optique. Ensemble de plusieurs structures supportant des modes de propagation guidée d’ondes élastiques ultrasonores, les structures dudit ensemble étant sensiblement identiques et étant équipées du système de contrôle non destructif selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, les capteurs d’ondes élastiques dudit système étant à des emplacements sensiblement identiques sur chacune des structures. Ensemble de plusieurs structures selon la revendication 13, ledit ensemble étant constitué par un ensemble de pales d’un réacteur d’avion. Ensemble de plusieurs structures selon la revendication 13, ledit ensemble étant constitué par un ensemble de sections cylindriques identiques connectées pour former un tuyau.
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