WO2021099727A1 - Procédé de détection de défaut par focalisation d'ondes ultrasonores générés par impulsion laser - Google Patents

Procédé de détection de défaut par focalisation d'ondes ultrasonores générés par impulsion laser Download PDF

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WO2021099727A1
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laser pulse
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Mathieu Loïc DUCOUSSO
Romain Tony Olivier HODE
Samuel RAETZ
Vincent Tournat
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Safran
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Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting a defect in a medium using focused ultrasonic waves generated by laser pulses.
  • the quality control of industrial parts consists in controlling the manufactured structures, checking that the material forming the part conforms to the specifications and does not present any defects. Quality control can be applied after different stages of shaping the material such as forging, foundry, or forming.
  • the gluing zone can be imaged using ultrasound.
  • Elastic waves can be generated by placing mechanical transducers in direct contact with the workpiece material or by sending laser pulses to the workpiece surface.
  • the wave generation is carried out under a thermoelastic regime or an ablative regime. Only the thermoelastic regime makes it possible to implement non-destructive testing.
  • the so-called longitudinal or compression elastic waves correspond in an isotropic medium to a displacement of matter in the direction of propagation.
  • transverse or shear elastic waves correspond in an isotropic medium to a displacement of matter in the plane normal to the direction of propagation.
  • Figure 1 taken from the book "Laser ultrasonics techniques and applications” SCRUBY (CB) and DRAIN (LE) - 1990, Adam Hilger, is a longitudinal wave directivity diagram in the case of aluminum.
  • Figure 1 represents the function A (q).
  • a laser pulse 3 is sent to the surface S of the part to be inspected.
  • the material of the part to be checked is below the surface S shown in figure 1.
  • the pulse 3 illuminates the surface S at the point of illumination 1.
  • An angular mark centered on the point of illumination 1 is shown in FIG. 1.
  • the direction N normal to the surface S corresponds to a zero direction angle of propagation, 0 °.
  • the positive angles are graduated up to the angle 90 ° corresponding to the surface S.
  • Curve 5 represents the amplitude of a longitudinal ultrasonic wave as a function of the angle of the direction of propagation for an infinitely fine surface laser source.
  • the amplitude of a longitudinal wave is zero for a zero angle: there is little elastic energy which propagates according to the normal N at the surface S.
  • the amplitude of a longitudinal wave is maximum in the 7 and 9 respectively close to + 64 ° and -64 ° in the case of aluminum. This means that the longitudinal ultrasonic wave created at point 1 propagates in the material overall according to a cone whose apex is point 1 and whose angle is approximately 64 °.
  • Figure 2 taken from the book “Laser ultrasonics techniques and applications” SCRUBY (CB) and DRAIN (LE) - 1990, Adam Hilger, represents a directivity diagram of transverse waves in the case of aluminum.
  • Figure 2 represents the function B (q).
  • a laser pulse 3 is sent to the surface S of the part to be inspected.
  • the material of the part to be checked is below the surface S shown in figure 1.
  • the pulse 3 illuminates the surface S at the point of illumination 1.
  • An angular mark centered on the point of illumination 1 is shown in FIG. 1.
  • the direction N normal to the surface S corresponds to a zero direction angle of propagation, 0 °.
  • the positive angles are graduated up to the 90 ° angle corresponding to the surface S.
  • Towards the left of direction N the positive angles are graduated. negative angles up to the angle -90 ° also corresponding to the surface S.
  • Curve 4 represents the amplitude of a transverse ultrasonic wave as a function of the angle of the direction of propagation for an infinitely fine surface laser source .
  • the amplitude of a transverse wave is zero for a zero angle: there is little elastic energy which propagates according to the normal N at the surface S.
  • Non-destructive testing using ultrasonic waves is limited by the maximum power of the waves produced: low ultrasonic power does not allow high sensitivity in ultrasonic imaging, thus reducing the quality of non-destructive testing.
  • the directivity diagrams presented above show propagation of the wave in preferred directions relative to the surface.
  • the further the area to be imaged in the material is from the surface the less sensitive the ultrasound imaging obtained of the area is and reveals details.
  • phased array elements for example arrays of piezoelectric transducers controlled electronically on reception or on transmission and which make it possible, by applying electronic delays calculated as a function of the target objective to the various elements, to focus ultrasonic wave at different depths of the material being inspected.
  • all of these techniques using piezoelectric elements require contact of the emitter with the surface of the part to be probed and the use of an ultrasonic coupler or immersion of the structure to be inspected.
  • the accessible frequency range extends from approximately 100 kHz to 20 MHz, limiting the resolution of the control.
  • the ultrasonic focusing technique using laser illuminations can be presented from the directivity diagrams presented above. It is possible to implement a focusing of ultrasonic waves under the surface S by using a laser pulse having a suitable spatial profile. If the spatial profile has a particular geometry, the ultrasonic waves generated at the surface propagate in the material and can meet at particular places depending on the spatial profile used.
  • the spatial profile of the light pulse corresponds to the spatial pattern of deposition of laser energy on the surface of the illuminated structure.
  • QM represents the absolute value of the angles corresponding to the maximum of the amplitude of a longitudinal or transverse wave.
  • QM is the inclination according to which the longitudinal or transverse wave is generated most efficiently by laser, in thermoelastic regime.
  • QM is the opening angle of the cone mentioned above. For example in the case of aluminum illustrated in Figures 1 and 2, QM is around 64 ° for longitudinal waves and 30 ° for transverse waves.
  • Figure 3A shows an illustration of an annular spatial profile of the laser pulse.
  • the material of the part to be analyzed has a surface S.
  • the point O of the surface S corresponds to the center of the ring 32.
  • the direction N corresponds to the normal to the surface S passing through the point O.
  • the material of the part is located below the surface S.
  • the points B and C of the surface S are located on the ring 32.
  • the directivity diagrams 34 and 35 are represented at the points B and C.
  • the diagrams 34 and 35 correspond to a transverse elastic wave generated in the material of the part by an infinitely fine surface laser pulse sent to points B and C.
  • the diagrams 34 and 35 show a point A of superposition which is located under the point O on the normal N. If the surface S is illuminated by a spatial profile of the laser pulse which takes the shape of the ring 32, each point of the ring is the starting point of an ultrasonic wave which passes through point A. In doing so, an ultrasonic focusing is thus achieved at point A.
  • FIG. 3B represents the geometry of the focusing in a plane comprising the points O, A and B.
  • the distance OB corresponds to the radius r of the ring 32.
  • the distance OA corresponds to the depth e of focusing.
  • the angle QM between the (OA) and (OB) directions corresponds to the angle of the maximum amplitude of a transverse wave.
  • the focusing method thus presented then makes it possible to improve the lateral resolutions of the ultrasound maps made at the depth of focus.
  • This focusing solution of ultrasonic waves generated by laser pulses makes it possible to produce an imaging system which achieves a resolution higher than that of imaging systems without focusing.
  • the resolution achieved remains limited and there is a need for fault detection reaching a higher resolution.
  • a general aim of the invention is to overcome the drawbacks of the methods for detecting a defect in a medium using ultrasonic waves of the prior art.
  • an aim of the invention is to provide an imaging solution using the focusing of ultrasound generated by laser to achieve a lateral resolution greater than that of an ultrasound imaging system using the focusing of ultrasound generated by laser.
  • the object is achieved in the context of the present invention by virtue of a method for detecting a defect in a region of interest of a part comprising the following steps: illumination of a surface of the part by a laser pulse exhibiting a spatial profile suitable for generating an ultrasonic wave focusing in the region of interest; acquiring a measurement signal of the focused ultrasonic wave in the region of interest; the laser pulse being adapted to generate a nonlinear effect on the ultrasonic wave if the defect is present in the region of interest, and the method further comprising a step: of comparing the measurement signal with a reference signal, the reference signal comprising an estimate of a signal acquired from an ultrasonic wave focused in the region of interest when the region of interest does not contain a defect.
  • a nonlinear effect on the ultrasonic wave if the defect is present in the region of interest makes it possible to binary and unambiguously identify the presence or absence of a defect in the region of interest.
  • the detection resolution is improved.
  • Such a method is advantageously completed by the following different characteristics or steps taken alone or in combination: a step of displaying information concerning the presence of the defect in the region of interest as a function of the result of the comparison step;
  • the reference signal is obtained by at least one of the following means: simulation, theoretical calculation, processing of a signal acquired from an ultrasonic wave focused in the region of interest when the region of interest does not contain a defect , and / or processing of a signal acquired from an ultrasonic wave focused in the region of interest when the laser pulse is adapted not to generate a non-linear effect in the ultrasonic wave if the defect is present in the region of interest;
  • the measurement signal comprises a time series of values, the comparison step further comprising the following substeps: determination of an operating signal from the measurement signal, the operating
  • the invention also relates to a method for detecting a defect located under a beacon point, the beacon point being located on the surface of a part, comprising the following steps: choice of a plurality of study points located in the room under the beacon point; determination for each point of study of a spatial profile of a laser pulse adapted so that the illumination of the surface by the laser pulse generates an ultrasonic wave focusing in a region of interest centered on the point of study ; application for each study point of the method for detecting a defect in the corresponding region of interest as presented above.
  • the invention also relates to a detection method among those which have been presented above and in which the part is a part of an aircraft engine.
  • the invention relates to a device for detecting a defect in a region of interest of a part comprising a pulsed laser source and an optical system suitable for modifying the spatial profile of the laser pulse generated by the source, an acoustic acquisition system suitable for measuring an ultrasonic wave generated by the illumination of a surface of the part by the laser pulse, and a signal processing system.
  • the optical system of the detection device can be adapted so that the laser pulse has a spatial ring profile.
  • FIGS. 3A and 3B already described, schematically represent a focusing of ultrasonic waves generated by laser.
  • FIG. 4 schematically represents a device for detecting a defect by focusing ultrasonic waves generated by laser.
  • FIG. 5 schematically represents a method for detecting a defect by focusing ultrasonic waves generated by laser.
  • FIG. 6 schematically represents a method of detecting a defect under a beacon point by focusing ultrasonic waves generated by laser.
  • Detection device Figure 4 shows a device 70 for detecting a fault by focusing ultrasonic waves generated by laser
  • the device 70 makes it possible to detect a defect in a region of interest 79 of a part 77.
  • the device 70 firstly comprises a pulsed laser source 71 and an optical system 73 adapted to modify the spatial profile of a laser pulse. 72 generated by the source 71.
  • the optical system 73 is adapted to modify the spatial profile in a particular plane normal to the direction of propagation of the laser pulse 72.
  • the laser pulse 74 has a particular spatial profile 75 in the plane of the surface 76.
  • the optical system 73 can in particular generate spatial profiles 75 in the form of a ring.
  • the optical system 73 can for example transform a laser beam 72 having a Gaussian or quasi-Gaussian spatial profile into a beam 74 having a ring-shaped profile.
  • An axicon can in particular be employed within the optical system 73.
  • the optical system 73 can also be of the diffractive type, that is to say have an operation based on the wavy nature of the laser beam produced by the laser source.
  • the optical system 73 can in particular comprise a spatial light modulator.
  • the optical system 73 can transform a spatial profile of a Gaussian or quasi-Gaussian laser beam into a beam having a spatial profile in a ring, an ellipse or even a spatial profile following a more complex closed contour.
  • the detection device 70 comprises an acoustic acquisition system 80 suitable for measuring an ultrasonic wave 78 propagating in the room 77.
  • An acoustic detection in reflection that is to say on the side of the surface illuminated by the laser, can be used. or else an acoustic detection in transmission, that is to say on the other side of the room with respect to the illuminated surface.
  • the detection means can for example be either optical (laser for example), piezoelectric or electromagnetic (EALAT for example).
  • the detection device 70 comprises a signal processing system 81 adapted to process the signal.
  • the signal processing system 81 is particularly suitable for determining from a time series of values a Fourier transform, an amplitude Fourier spectrum, and a phase Fourier spectrum.
  • the signal processing system 81 is suitable for calculating a parameter from a time series of values, of a Fourrier spectrum in amplitude or in phase, to compare two time series of values, two Fourier transforms between them, two Fourrier spectra in amplitude or two Fourrier spectra in phase.
  • the detection device 70 includes a display system 83 adapted to display information from the processing system.
  • FIG. 5 represents a method P of detecting a fault in a region of interest 79 of a room 77.
  • the pulsed laser source 71 generates a laser pulse 72.
  • the spatial profile of the pulse is adapted by the optical system 73.
  • the laser pulse 74 is adapted to illuminate the surface 76 of the part 77 according to the particular spatial profile 75.
  • the illumination of the surface 76 according to the spatial profile 75 generates in the material part 77 an ultrasonic wave 78 which focuses in a region of interest 79.
  • the focused ultrasonic wave generates maximum stress in the region of interest.
  • the presence at a given instant of a maximum stress obtained in the region of interest 79 located in the part to be analyzed may be sufficient to generate non-linear effects in the ultrasonic wave.
  • the maximum elastic stress can be adjusted in particular from the energy of the laser pulse 72 or the focusing parameters.
  • the maximum elastic stress can be set so that the presence of a defect in the region of interest 79 generates nonlinear effects while the absence of a defect does not.
  • the ultrasonic power related to a particular frequency of the spectrum of the ultrasonic wave can significantly increase related to the existence of the elastic stress maximum. and the presence of a defect in the region of interest 79.
  • New controls such as harmonic imaging, can be proposed.
  • the sensors 80 measure the ultrasonic wave 78.
  • the sensors 80 produce an electrical measurement signal suitable for being processed by the signal processing system 81.
  • the step P2 for acquisition of a measurement signal of the ultrasonic wave focused in the region of interest can be carried out in reflection, i.e. on the side of the surface illuminated by the laser or else in transmission, i.e. on the other side of the part in relation to the illuminated surface.
  • the measurement signal produced by the sensors 80 is transmitted to and used by the signal processing system 81.
  • the signal processing system 81 compares the measurement signal with a reference signal.
  • the reference signal comprises an estimate of a signal acquired from an ultrasonic wave focused in the region of interest when the region of interest does not contain a defect.
  • the reference signal can be obtained by various means.
  • the reference signal can be obtained by numerical simulation or by theoretical calculation.
  • the reference signal can also be obtained from a measurement.
  • a first example of such a measurement is obtained when the detection device 70 is adapted to focus an ultrasonic wave in a region of interest which is certain to contain no defect.
  • a second example of such a measurement is obtained when the detection device 70 is adapted to focus an ultrasonic wave with a maximum elastic stress sufficiently low so as not to generate a non-linear effect in the ultrasonic wave if the defect is present in region of interest. From the measurement signal obtained under these particular conditions, it is possible to construct a reference signal.
  • the signal processing system 81 is adapted to perform a comparison between the measurement signal with the reference signal.
  • the measurement signal comprises a time series of values transmitted by the sensors 80.
  • the measurement signal can also comprise other information such as acquisition or sampling parameters, the date and time at which the measurement took. been carried out, etc ...
  • the signal processing system 81 determines an operating signal from the measurement signal.
  • the operating signal can be a transformation of the time series of values, for example a Fourier transform, a Fourier spectrum in amplitude or in phase.
  • the operating signal may be the time series of values itself.
  • the signal processing system 81 determines a parameter measured from the operating signal. Many measured parameters can be used.
  • the measured parameter can be an amplitude at a particular time, a waveform parameter, an envelope parameter, an adjustment parameter, a correlation parameter, a time of occurrence of a particular shape in the measurement signal.
  • the measured parameter can be a power over a certain range of frequencies, an integral or an average over a certain range of frequencies, a parameter of waveform, an envelope parameter, or an adjustment parameter.
  • the signal processing system 81 compares the measured parameter with a reference parameter characteristic of the reference signal.
  • the construction of the reference parameter from the reference signal is similar to the construction of the measured parameter from the measurement signal.
  • the signal processing system 81 can compare the measured parameter to a reference parameter using an expected deviation. This expected deviation quantifies a variability of a plurality of reference parameters. For example, a plurality of reference signals can be determined, and for each reference signal a reference parameter can be calculated.
  • the variability or dispersion of the plurality of reference parameters can be quantified, for example by a standard deviation.
  • the expected deviation can be taken to be greater than or equal to one standard deviation or equal to an integer multiple of the standard deviation.
  • the display system 83 displays information relating to the presence of a defect in the region of interest by depending on the result of the comparison step P3.
  • the display system can in particular display the possible alert, the parameter retained for the comparison, the value of the difference between the measured parameter and the reference parameter and the expected deviation. More generally, the result of the comparison step and the relevant information relating to the comparison step can be routed from the signal processing system 81 to the display system 83 to be made available to an operator. .
  • the method as presented above relies on the generation of nonlinear effects in the ultrasonic wave when a defect is present in the region of interest 79.
  • the bond is not faulty, the elastic response of the region of interest exhibits a frequency spectrum without harmonics. If, on the contrary, the bonding is degraded by PTFE or a release agent locally present at the interface of the adhesive joint, harmonics can enrich the spectrum. It is possible through the process to probe the quality of a bond by increasing the elastic stress and then probing the spectrum of the detected signal. If the bond has interface defects, the spectrum of the measurement signal is different from the spectrum of the reference signal for at least one frequency range.
  • the method as presented above makes it possible to identify in a binary manner and without ambiguity the presence or absence of a defect in the region d. 'interest.
  • the sensitivity of such a method can exceed the sensitivity of a linear ultrasound imaging solution.
  • the use of the method can be envisaged for detecting other types of defects such as cracks, gas bubbles, porosities, encrustations in a monolithic structure, for example a metal structure.
  • the presence in a structure of a grain boundary type interface between two crystalline phases could also be revealed by such a method.
  • ultrasonic waves are generated from a laser pulse and do not require physical contact between an emitter and the surface of the part to be probed. There is no contact necessary regardless of the surface temperature of the part, including a high temperature at the end of a foundry manufacturing process. Moreover, such a method is perfectly reproducible, easily adaptable to even complex geometries and does not require immersing the part to be analyzed or applying to it the ultrasonic coupler or a piezoelectric transducer.
  • the ultrasonic waves generated from the laser pulse can rise to acoustic frequencies of a few tens of MHz, corresponding to a fault detection sensitivity at least as good as for systems using ultrasonic waves from 100 kHz to 20 MHz.
  • the dead zone that is to say the zone located under the surface of the part to be analyzed and for which the application of the method does not make it possible to obtain precise measurements, is lower or even zero in the case of of a method based on laser pulses compared to a method based on mechanical transducers.
  • the region of interest for which it is desired to establish the presence or absence of a defect must, during the process, correspond to the place of focus of the ultrasonic wave. It is therefore necessary to control the place of this focusing.
  • the surface In the case of an isotropic material, it is possible to illuminate the surface with a laser pulse having a ring-shaped spatial profile.
  • the depth of focus is controlled by the radius of the ring.
  • the position in the plane of the focus area is controlled by the position of the center of the ring in the plane of the surface.
  • the radius of the ring depends linearly on the depth, the radius can also depend on the type of longitudinal or transverse wave used.
  • the surface In the case of an orthotropic or cubic symmetry material, it is possible to illuminate the surface with a laser pulse having a more complex spatial profile, for example in the shape of an ellipse.
  • the depth of focus is controlled by the minor axis and major axis of the ellipse.
  • the in-plane position of the focus surface is controlled by the position of the center of the ellipse in the plane of the surface.
  • the shape of the spatial profile used may also depend on the type of longitudinal or transverse wave, attenuation, or the like.
  • the surface can be illuminated with a laser pulse with a more complex spatial profile.
  • This spatial profile can in particular follow a closed contour and can be calculated numerically from the characteristics of the anisotropic material.
  • a method T, shown in FIG. 6, for detecting a defect located under a beacon point, the marked point being located on the surface of a part is proposed for this purpose.
  • the method comprises a first step T1 of choosing a plurality of study points located in the room under the beacon point.
  • the study points are located on the normal N to the surface passing through the beacon point, at different distances from the beacon point.
  • a second step T2 for each study point, a spatial profile of a laser pulse suitable for the illumination of the surface by the laser pulse to generate an ultrasonic wave focusing in a region of interest centered on is determined.
  • the point of study for each study point, a spatial profile of a laser pulse suitable for the illumination of the surface by the laser pulse to generate an ultrasonic wave focusing in a region of interest centered on is determined.
  • the point of study is at the center of a region of interest located below the beacon point at a certain depth.
  • a particular spatial profile of a laser pulse so that if this pulse illuminates the surface, an ultrasonic wave is created and propagates by focusing at said level. region of interest. It is possible to adapt the choice of the plurality of study points according to an extent of the region of interest. In particular, it is possible to choose a plurality of points so that the corresponding detection ranges are juxtaposed against each other without superposition or space between them.
  • the method for detecting a defect in the corresponding region of interest is applied for each study point according to the presentation given above. In this way, the presence or absence of a defect is determined for each point of the plurality of points. It is thus possible to establish the presence of a defect under a beacon point on the surface of the part and its depth if the defect is detected.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé (P) de détection d'un défaut dans une région d'intérêt sous une surface d'une pièce comprenant les étapes suivantes : (P1 ) illumination de la surface de la pièce par une impulsion laser présentant un profil spatial adapté pour la génération d'une onde ultrasonore longitudinale ou transverse se focalisant dans la région d'intérêt; (P2) acquisition d'un signal de mesure de l'onde ultrasonore focalisée dans la région d'intérêt; l'impulsion laser étant adaptée pour générer un effet non linéaire sur l'onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d'intérêt, le procédé comprenant en outre une étape : (P3) de comparaison du signal de mesure à un signal de référence, le signal de référence comprenant une estimation d'un signal acquis d'une onde ultrasonore focalisée dans la région d'intérêt lorsque la région d'intérêt ne contient pas de défaut.

Description

Procédé de détection de défaut par focalisation d’ondes ultrasonores générés par impulsion laser
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de détection de défaut dans un milieu en utilisant des ondes ultrasonores focalisées et générées par impulsion laser.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le contrôle qualité de pièces industrielles consiste à contrôler les structures fabriquées, vérifier que la matière formant la pièce est conforme au cahier des charges et ne présente pas de défauts. Le contrôle qualité peut être appliqué après différentes étapes de mise en forme de la matière comme le forgeage, la fonderie, ou le formage.
Il est important que le contrôle qualité d’une pièce soit non destructif c’est-à- dire qu’au cours du contrôle, il n’y ait pas de dégradation de la structure ou de la matière de la pièce contrôlée.
Il est connu d’utiliser des ondes élastiques pour sonder la matière d’une pièce, et imager des zones dans la pièce. En particulier dans le cas où la pièce industrielle comprend deux parties solidarisées par collage, la zone de collage peut être imagée en utilisant des ultrasons.
Les ondes élastiques peuvent être générées en plaçant des transducteurs mécaniques en contact direct avec la matière de la pièce ou en envoyant des impulsions laser sur la surface de la pièce.
En règle générale, selon l’intensité crête du rayonnement laser envoyé, la génération d’onde est réalisée dans la cadre d’un régime thermoélastique ou d’un régime ablatif. Seul le régime thermoélastique permet de mettre en œuvre un contrôle non destructif.
Une partie de l’énergie d’une impulsion laser est absorbée par la matière, la température de la pièce dans la zone illuminée s’élève soudainement, typiquement de quelques dizaines de degrés. La montée en température génère une dilatation thermoélastique locale qui crée un excès soudain de contraintes dans la zone illuminée. En raison de la rigidité du matériau qui entoure cette zone, il ne peut pas se produire une libre dilatation dans la direction radiale. Les contraintes mécaniques dans la zone illuminée se propagent au sein de la structure dans des directions privilégiées sous forme d’une onde ultrasonore. Les directions privilégiées peuvent être prédites formellement en fonction des caractéristiques du matériau éclairé.
Deux types d’onde élastique peuvent se propager. D’une part les ondes élastiques dites longitudinales ou de compression correspondent dans un milieu isotrope à un déplacement de la matière dans la direction de propagation. D’autre part les ondes élastiques dites transversales ou de cisaillement correspondent dans un milieu isotrope à un déplacement de la matière dans le plan normal à la direction de propagation.
Pour un milieu isotrope et en considérant une hypothèse d’onde plane, l’amplitude d’une onde ultrasonore longitudinale varie selon la direction de propagation ou d’observation Q selon la relation suivante :
Figure imgf000004_0001
où K =C CJ cL et cT représentant respectivement les vitesses des ondes longitudinales et transverses dans le milieu considéré.
La figure 1 , extraite de l’ouvrage « Laser ultrasonics techniques and applications » SCRUBY (C.B.) et DRAIN (L.E.)- 1990, Adam Hilger, est un diagramme de directivité des ondes longitudinales dans le cas de l’aluminium. La figure 1 représente la fonction A(q). Une impulsion laser 3 est envoyée vers la surface S de la pièce à contrôler. La matière de la pièce à contrôler se trouve en dessous de la surface S représentée sur la figure 1. L’impulsion 3 illumine la surface S au point d’illumination 1. Un repère angulaire centré sur le point d’illumination 1 est représenté dans la figure 1. La direction N normale à la surface S correspond à un angle de direction de propagation nul, 0° . Vers la droite de la direction N, sont gradués les angles positifs jusqu’à l’angle 90° correspondant à la surface S. Vers la gauche de la direction N, sont gradués les angles négatifs jusqu’à l’angle -90° correspondant également à la surface S. La courbe 5 représente l’amplitude d’une onde ultrasonore longitudinale en fonction de l’angle de la direction de propagation pour une source laser surfacique et infiniment fine. L’amplitude d’une onde longitudinale est nulle pour un angle nul : il y a peu d’énergie élastique qui se propage selon la normale N à la surface S. L’amplitude d’une onde longitudinale est maximale dans les directions 7 et 9 proches respectivement de +64° et -64° dans le cas de l’aluminium. Cela signifie que l’onde ultrasonore longitudinale créée au point 1 se propage dans la matière globalement selon un cône dont le sommet est le point 1 et dont l’angle vaut environ 64° . Plus généralement, dans d’autres matériaux, les angles correspondant au maximum de l’amplitude d’une onde longitudinale dépendent du rapport k =cL/cT. Pour un milieu isotrope et en considérant une hypothèse d’onde plane, l’amplitude d’une onde ultrasonore transverse varie selon la direction de propagation ou d’observation Q selon la relation suivante : sin(20) cos(20) b(0) = - — - - cos2(20) + 2 sin(0) sin(20) -JK2 — sin2(0) La figure 2, extraite de l’ouvrage « Laser ultrasonics techniques and applications » SCRUBY (C.B.) et DRAIN (L. E. )- 1990, Adam Hilger, représente un diagramme de directivité des ondes transverses dans le cas de l’aluminium. La figure 2 représente la fonction B(q). Une impulsion laser 3 est envoyée vers la surface S de la pièce à contrôler. La matière de la pièce à contrôler se trouve en dessous de la surface S représentée sur la figure 1. L’impulsion 3 illumine la surface S au point d’illumination 1. Un repère angulaire centré sur le point d’illumination 1 est représenté dans la figure 1. La direction N normale à la surface S correspond à un angle de direction de propagation nul, 0° . Vers la droite de la direction N, sont gradués les angles positifs jusqu’à l’angle 90° correspondant à la surface S. Vers la gauche de la direction N, sont gradués les angles négatifs jusqu’à l’angle -90° correspondant également à la surface S. La courbe 4 représente l’amplitude d’une onde ultrasonore transverse en fonction de l’angle de la direction de propagation pour une source laser surfacique et infiniment fine. L’amplitude d’une onde transverse est nulle pour un angle nul : il y a peu d’énergie élastique qui se propage selon la normale N à la surface S. L’amplitude d’une onde transverse est maximale dans les directions 6 et 8 proches respectivement de +30° et -30° dans le cas de l’aluminium. Plus généralement, les angles correspondant au maximum de l’amplitude d’une onde transverse dépendent du rapport k=cL/cT. II est possible de déterminer d’autres diagrammes de directivité en faisant varier la taille de la source laser, la fréquence ultrasonore considérée, la complexité du matériau, etc....
Le contrôle non destructif utilisant des ondes ultrasonores est limité par la puissance maximum des ondes produites : une puissance ultrasonore faible ne permet pas une sensibilité importante dans l’imagerie ultrasonore, diminuant alors la qualité du contrôle non-destructif.
Dans le cas d’ondes ultrasonores générées par impulsion laser, les diagrammes de directivité présentés plus haut montrent une propagation de l’onde selon des directions privilégiées par rapport à la surface. De plus, notamment pour des raisons d’atténuation élastique, plus la zone à imager dans la matière est éloignée de la surface et moins l’imagerie ultrasonore obtenue de la zone est sensible et révèle des détails.
Il existe dans l’art antérieur des techniques possibles pour focaliser des ondes ultrasonores. Ces techniques peuvent être effectuées avec des transducteurs mécaniques comme décrit dans WO2018189450A1 ou avec des illuminations laser comme décrit dans les articles « Focused bulk ultrasonic waves generated by ring-shaped laser illumination and application to flaw détection » Journal of Applied Physics 80, 4274 (1996) ou « Converging Laser Generated Ultrasonic Waves using Annular Patterns Irradiation » S Zamiri et al 2014 J. Phys.: Conf. Ser. 520 012001. Il est à noter que l’état de l’art concernant la focalisation ultrasonore est relativement vaste pour ce qui concerne les méthodes nécessitant des éléments piézoélectriques. Il est possible d’utiliser des mono-éléments qui produisent des ondes ultrasonores focalisées à une distance de l’émetteur fixée dès la conception. Il est aussi possible d’utiliser des multiéléments, par exemple des réseaux de transducteurs piézoélectriques pilotés électroniquement à la réception ou à l’émission et qui permettent, en appliquant aux différents éléments des retards électroniques calculés en fonction de l’objectif visé, de focaliser l’onde ultrasonore à différentes profondeurs du matériau inspecté. Néanmoins, l’ensemble de ces techniques utilisant des éléments piézoélectriques nécessite un contact de l’émetteur avec la surface de la pièce à sonder et l’utilisation d’un couplant ultrasonore ou une immersion de la structure à inspecter. De plus, la gamme de fréquences accessible s’étend environ de 100 kHz à 20 MHz, limitant la résolution du contrôle.
La technique de focalisation ultrasonore utilisant des illuminations laser peut être présentée à partir des diagrammes de directivité présentés plus haut. Il est possible de mettre en oeuvre une focalisation d’ondes ultrasonores sous la surface S en utilisant une impulsion laser présentant un profil spatial adapté. Si le profil spatial présente une géométrie particulière, les ondes ultrasonores générées en surface se propagent dans la matière et peuvent se rejoindre à des endroits particuliers dépendant du profil spatial utilisé.
Le profil spatial de l’impulsion lumineuse correspond au motif spatial de dépôt d’énergie laser à la surface de la structure illuminée. Dans le cas d’un matériau isotrope, il est possible d’utiliser un profil spatial de l’impulsion laser en anneau. Le rayon r de l’anneau permet de définir la profondeur de focalisation e, selon la relation e=r/tan(0M).
QM représente la valeur absolue des angles correspondant au maximum de l’amplitude d’une onde longitudinale ou transverse. QM est l’inclinaison selon laquelle l’onde longitudinale ou transverse est générée le plus efficacement par laser, en régime thermoélastique. QM correspond à l’angle d’ouverture du cône évoqué plus haut. Par exemple dans le cas de l’aluminium illustré sur les figures 1 et 2, QM est autour de 64° pour les ondes longitudinales et de 30° pour les ondes transverses.
La figure 3A représente une illustration d’un profil spatial annulaire de l’impulsion laser. La matière de la pièce à analyser présente une surface S. Le point O de la surface S correspond au centre de l’anneau 32. La direction N correspond à la normale à la surface S passant par le point O. La matière de la pièce se situe en dessous de la surface S. Les points B et C de la surface S se situent sur l’anneau 32. Les diagrammes de directivité 34 et 35 sont représentés au niveau des points B et C. Les diagrammes 34 et 35 correspondent à une onde élastique transverse générée dans la matière de la pièce par une impulsion laser surfacique et infiniment fine envoyée aux points B et C.
Les diagrammes 34 et 35 présentent un point A de superposition qui se trouve sous le point O sur la normale N. Si la surface S est illuminée par un profil spatial de l’impulsion laser qui prend la forme de l’anneau 32, chaque point de l’anneau est le point de départ d’une onde ultrasonore qui passe par le point A. Ce faisant, une focalisation ultrasonore est ainsi réalisée au point A.
La figure 3B représente la géométrie de la focalisation dans un plan comprenant les points O, A et B. La distance OB correspond au rayon r de l’anneau 32. La distance OA correspond à la profondeur e de focalisation. L’angle QM entre les directions (OA) et (OB) correspond à l’angle du maximum d’amplitude d’une onde transverse. La profondeur de focalisation e est donnée par la relation e=r/tan(BM).
Dans le cas d’une onde transverse générée dans un matériau isotrope composé d’aluminium, QM = 30° . Si l’on souhaite proposer une focalisation à 2 mm sous la surface, il faut utiliser un anneau de 1 ,15 mm de rayon.
Dans le cas d’une onde longitudinale générée dans le même matériau, QM = 64° . Si l’on souhaite également proposer une focalisation à 2 mm sous la surface, il faut utiliser un anneau de 4,1 mm de rayon.
Le procédé de focalisation ainsi présenté permet alors d’améliorer les résolutions latérales des cartographies ultrasonores faites à la profondeur de focalisation. Cette solution de focalisation d’onde ultrasonore générées par des impulsions laser permet de réaliser un système d’imagerie qui atteint une résolution supérieure à celle des systèmes d’imagerie sans focalisation. Cependant, la résolution atteinte reste limitée et il existe un besoin de détection de défaut atteignant une résolution supérieure.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but général de l’invention est de pallier les inconvénients des procédés de détection de défaut dans un milieu en utilisant des ondes ultrasonores de l’art antérieur.
Notamment, un but de l’invention est de proposer une solution d’imagerie utilisant la focalisation d’ultrasons générés par laser pour atteindre une résolution latérale supérieure à celle d’un système d’imagerie ultrasonore utilisant la focalisation d’ultrasons générés par laser.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de détection d’un défaut dans une région d’intérêt d’une pièce comprenant les étapes suivantes : illumination d’une surface de la pièce par une impulsion laser présentant un profil spatial adapté pour la génération d’une onde ultrasonore se focalisant dans la région d’intérêt ; acquisition d’un signal de mesure de l’onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt ; l’impulsion laser étant adaptée pour générer un effet non linéaire sur l’onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d’intérêt, et le procédé comprenant en outre une étape : de comparaison du signal de mesure à un signal de référence, le signal de référence comprenant une estimation d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut.
La génération d’un effet non linéaire sur l’onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d’intérêt, permet d’identifier de manière binaire et sans ambiguïté la présence ou l’absence d’un défaut dans la région d’intérêt. La résolution de la détection est améliorée. Un tel procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison : une étape d’affichage d’une information concernant la présence du défaut dans la région d’intérêt en fonction du résultat de l’étape de comparaison ; le signal de référence est obtenu par l’un au moins des moyens suivants : simulation, calcul théorique, traitement d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut, et/ou traitement d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque l’impulsion laser est adaptée pour ne pas générer un effet non linéaire dans l’onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d’intérêt ; le signal de mesure comprend une série temporelle de valeurs, l’étape de comparaison comprenant en outre les sous étapes suivantes : détermination d’un signal d’exploitation à partir du signal de mesure, le signal d’exploitation étant choisi parmi la série temporelle de valeurs, une transformée de Fourrier de la série temporelle de valeurs, un spectre de Fourrier en amplitude de la série temporelle de valeurs et/ou un spectre de Fourrier en phase de la série temporelle de valeurs, détermination d’un paramètre mesuré caractéristique du signal d’exploitation, comparaison du paramètre mesuré à un paramètre de référence caractéristique du signal de référence ; la pièce est formée d’un matériau isotrope et le profil spatial de l’impulsion laser est en forme d’anneau ;
L’invention porte également sur un procédé de détection d’un défaut situé sous un point balise, le point balise étant situé à la surface d’une pièce, comprenant les étapes suivantes : choix d’une pluralité de points d’étude situés dans la pièce sous le point balise ; détermination pour chaque point d’étude d’un profil spatial d’une impulsion laser adaptée pour que l’illumination de la surface par l’impulsion laser génère une onde ultrasonore se focalisant dans une région d’intérêt centré sur le point d’étude ; application pour chaque point d’étude du procédé de détection d’un défaut dans la région d’intérêt correspondante tel que présenté plus haut.
L’invention porte encore sur un procédé de détection parmi ceux que l’on a pu présenter plus haut et dans lequel la pièce est une pièce d’un moteur d’aéronef. Enfin, l’invention porte sur un dispositif de détection d’un défaut dans une région d’intérêt d’une pièce comprenant une source laser impulsionnelle et un système optique adapté pour modifier le profil spatial de l’impulsion laser générée par la source, un système d’acquisition acoustique adapté pour mesurer une onde ultrasonore générée par l’illumination d’une surface de la pièce par l’impulsion laser, et un système de traitement du signal.
Avantageusement, mais facultativement, le système optique du dispositif de détection peut être adapté pour que l’impulsion laser présente un profil spatial d’anneau.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : Les figures 1 et 2, déjà décrites, sont des représentations de diagramme de directivité d’ondes ultrasonores générées par laser ;
Les figures 3A et 3B, déjà décrites, représentent de manière schématique une focalisation d’ondes ultrasonores générées par laser.
La figure 4 représente de manière schématique un dispositif de détection d’un défaut par focalisation d’ondes ultrasonores générées par laser. La figure 5 représente de manière schématique un procédé de détection d’un défaut par focalisation d’ondes ultrasonores générées par laser.
La figure 6 représente de manière schématique un procédé de détection d’un défaut sous un point balise par focalisation d’ondes ultrasonores générées par laser.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dispositif de détection La figure 4 représente un dispositif 70 de détection d’un défaut par focalisation d’ondes ultrasonores générées par laser
Le dispositif 70 permet de détecter un défaut dans une région d’intérêt 79 d’une pièce 77. Le dispositif 70 comprend tout d’abord une source laser impulsionnelle 71 et un système optique 73 adapté pour modifier le profil spatial d’une impulsion laser 72 générée par la source 71 .
En particulier le système optique 73 est adapté pour modifier le profil spatial dans un plan particulier normal à la direction de propagation de l’impulsion laser 72.
En sortie du système optique 73, l’impulsion laser 74 présente un profil spatial 75 particulier dans le plan de la surface 76.
Le système optique 73 peut notamment générer des profils spatiaux 75 en forme d’anneau.
Le système optique 73 peut par exemple transformer un faisceau laser 72 présentant un profil spatial gaussien ou quasi gaussien en un faisceau 74 présentant un profil en forme d’anneau. Un axicon peut en particulier être employé au sein du système optique 73.
Le système optique 73 peut également être de type diffractif, c’est-à-dire présenter un fonctionnement fondé sur le caractère ondulatoire du faisceau laser produit par la source laser.
Le système optique 73 peut en particulier comprendre un modulateur spatial de lumière. Le système optique 73 peut transformer un profil spatial de faisceau laser gaussien ou quasi gaussien en un faisceau présentant un profil spatial en anneau, en ellipse voire un profil spatial suivant un contour fermé plus complexe.
Le dispositif de détection 70 comprend un système d’acquisition acoustique 80 adapté pour mesurer une onde ultrasonore 78 se propageant dans la pièce 77. Il peut être utilisé une détection acoustique en réflexion c’est à dire du côté de la surface illuminée par le laser ou bien une détection acoustique en transmission c’est-à-dire de l’autre côté de la pièce par rapport à la surface illuminée. Le moyen de détection peut par exemple être indifféremment optique (laser par exemple), piézoélectrique ou électromagnétique (EALAT par exemple).
Le dispositif de détection 70 comprend un système de traitement du signal 81 adapté pour traiter le signal. Le système de traitement du signal 81 est adapté notamment pour déterminer à partir d’une série temporelle de valeurs une transformée de Fourrier, un spectre de Fourrier en amplitude, et un spectre de Fourrier en phase.
Le système de traitement du signal 81 est adapté pour calculer un paramètre à partir d’une série temporelle de valeurs, d’un spectre de Fourrier en amplitude ou en phase, pour comparer deux séries temporelles de valeurs, deux transformées de Fourrier entre elles, deux spectres de Fourrier en amplitude ou encore deux spectres de Fourrier en phase.
Le dispositif de détection 70 comprend un système d’affichage 83 adapté pour afficher une information provenant du système de traitement.
Procédé de détection
Le fonctionnement du dispositif 70 peut être décrit en rapport avec la figure 5, qui représente un procédé P de détection d’un défaut dans une région d’intérêt 79 d’une pièce 77.
Au cours d’une première étape P1, la source laser impulsionnelle 71 génère une impulsion laser 72. Le profil spatial de l’impulsion est adapté par le système optique 73. En sortie du système optique 73 l’impulsion laser 74 est adaptée pour illuminer la surface 76 de la pièce 77 selon le profil spatial particulier 75. L’illumination de la surface 76 selon le profil spatial 75 génère dans la matière de la pièce 77 une onde ultrasonore 78 qui se focalise dans une région d’intérêt 79.
L’onde ultrasonore focalisée génère un maximum de contraintes dans la région d’intérêt. La présence à un instant donné d’un maximum de contrainte obtenu dans la région d’intérêt 79 située dans la pièce à analyser peut être suffisante pour générer des effets non linéaires dans l’onde ultrasonore.
Le maximum de contrainte élastique peut être réglé notamment à partir de l’énergie de l’impulsion laser 72 ou des paramètres de focalisation. Le maximum de contrainte élastique peut être réglé pour que la présence d’un défaut dans la région d’intérêt 79 génère des effets non linéaires alors que l’absence d’un défaut n’en génère pas.
Par exemple, il peut y avoir un enrichissement du spectre ultrasonore, c’est-à- dire que la puissance ultrasonore liée à une fréquence particulière du spectre de l’onde ultrasonore peut significativement augmenter en lien avec l’existence du maximum de contrainte élastique et la présence d’un défaut dans la région d’intérêt 79.
De nouveaux contrôles, comme par exemple de l’imagerie harmonique, peuvent être proposés.
Au cours d’une deuxième étape P2, les capteurs 80 mesurent l’onde ultrasonore 78. Les capteurs 80 produisent un signal de mesure électrique adapté pour être traité par le système de traitement du signal 81. L’étape P2 d’acquisition d’un signal de mesure de l’onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt peut être effectuée en réflexion c’est à dire du côté de la surface illuminée par le laser ou bien en transmission c’est-à-dire de l’autre côté de la pièce par rapport à la surface illuminée.
Au cours d’une troisième étape P3, le signal de mesure produit par les capteurs 80 est transmis au et exploité par le système de traitement du signal 81. Le système de traitement du signal 81 compare le signal de mesure à un signal de référence. Le signal de référence comprend une estimation d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut.
Le signal de référence peut être obtenu par différents moyens. Le signal de référence peut être obtenu par simulation numérique ou par calcul théorique.
Le signal de référence peut également être obtenu à partir d’une mesure.
Un premier exemple d’une telle mesure est obtenu lorsque le dispositif 70 de détection est adapté pour focaliser une onde ultrasonore dans une région d’intérêt dont on est sûr qu’elle ne contient aucun défaut.
Un deuxième exemple d’une telle mesure est obtenu lorsque le dispositif 70 de détection est adapté pour focaliser une onde ultrasonore avec un maximum de contrainte élastique suffisamment faible pour ne pas générer un effet non linéaire dans l’onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d’intérêt. A partir du signal de mesure obtenu dans ces conditions particulières, il est possible de construire un signal de référence.
Traitement du signal Le système de traitement du signal 81 est adapté pour effectuer une comparaison entre le signal de mesure au signal de référence.
Le signal de mesure comprend une série temporelle de valeurs transmises par les capteurs 80. Le signal de mesure peut comprendre en outre d’autres informations comme des paramètres d’acquisition ou d’échantillonnage, la date et l’heure à laquelle la mesure a été réalisée, etc...
Dans une première sous-étape P31 , le système de traitement du signal 81 détermine un signal d’exploitation à partir du signal de mesure. Le signal d’exploitation peut être une transformation de la série temporelle de valeurs par exemple une transformée de Fourrier, un spectre de Fourrier en amplitude ou en phase. Le signal d’exploitation peut être la série temporelle de valeurs elle- même. Dans une deuxième sous-étape P32, le système de traitement du signal 81 détermine un paramètre mesuré à partir du signal d’exploitation. De nombreux paramètres mesurés peuvent être utilisés.
Dans le cas où le signal d’exploitation est la série temporelle de valeurs, le paramètre de mesuré peut être une amplitude à un temps particulier, un paramètre de forme d’onde, un paramètre d’enveloppe, un paramètre d’ajustement, un paramètre de corrélation, un temps d’apparition d’une forme particulière dans le signal de mesure.
Dans le cas où le signal d’exploitation est un spectre de Fourrier en amplitude ou en phase, le paramètre de mesuré peut être une puissance sur un certaine gamme de fréquences, une intégrale ou une moyenne sur une certaine gamme de fréquences, un paramètre de forme d’onde, un paramètre d’enveloppe ou un paramètre d’ajustement.
Au cours d’une troisième sous-étape P33, le système de traitement du signal 81 compare le paramètre mesuré à un paramètre de référence caractéristique du signal de référence. La construction du paramètre de référence à partir du signal de référence est similaire à la construction du paramètre mesuré à partir du signal de mesure.
Le système de traitement du signal 81 peut comparer le paramètre mesuré à un paramètre de référence en utilisant un écart attendu. Cet écart attendu quantifie une variabilité d’une pluralité de paramètres de référence. Par exemple, une pluralité de signaux de référence peut être déterminée, et pour chaque signal de référence un paramètre de référence peut être calculé.
La variabilité ou la dispersion de la pluralité de paramètres de référence peut être quantifiée, par exemple par un écart-type.
L’écart attendu peut être pris supérieur ou égal à un écart-type ou égal à un multiple entier d’écart-type.
Si l’écart entre le paramètre mesuré et le paramètre de référence est supérieur à l’écart attendu, une alerte peut être générée.
Au cours d’une quatrième étape P4, le système d’affichage 83 affiche une information concernant la présence d’un défaut dans la région d’intérêt en fonction du résultat de l’étape P3 de comparaison. Le système d’affichage peut en particulier afficher l’alerte éventuelle, le paramètre retenu pour la comparaison, la valeur de la différence entre le paramètre mesuré et le paramètre de référence et l’écart attendu. Plus généralement, le résultat de l’étape de comparaison et les informations pertinentes se rapportant à l’étape de comparaison peuvent être acheminées du système de traitement du signal 81 vers le système d’affichage 83 pour être mis à la disposition d’un opérateur.
Effets techniques - Avantages
Le procédé tel qu’on l’a présenté plus haut se fonde sur la génération d’effets non linéaires dans l’onde ultrasonore lorsqu’un défaut est présent dans la région d’intérêt 79.
Cela peut être le cas pour les défauts au sein d’un collage d’une pièce. Si le collage ne présente pas de défaut, la réponse élastique de la région d’intérêt présente un spectre fréquentiel sans harmonique. Si au contraire le collage est dégradé par du PTFE ou un agent démoulant localement présent à l’interface du joint de colle, des harmoniques peuvent enrichir le spectre. Il est possible grâce au procédé de sonder la qualité d’un collage en augmentant la sollicitation élastique et en sondant ensuite le spectre du signal détecté. Si le collage présente des défauts d’interface, le spectre du signal de mesure est différent du spectre du signal de référence pour au moins une gamme de fréquences.
Plus la sollicitation élastique est importante et plus les effets non linéaires et notamment l’enrichissement de spectre sont importants. De cette manière, au- delà d’une certaine valeur de contrainte élastique dans la zone de focalisation, le procédé tel que présente plus haut permet d’identifier de manière binaire et sans ambiguïté la présence ou l’absence de défaut dans la région d’intérêt. La sensibilité d’un tel procédé peut dépasser la sensibilité d’une solution d’imagerie ultrasonore linéaire. L’utilisation du procédé peut être envisagé pour détecter d’autres types de défauts tels que des fissures, bulles de gaz, porosités, incrustations dans une structure monolithique, par exemple une structure métallique. La présence dans une structure d’une interface de type joint de grain entre deux phases cristallines pourrait également être révélée par un tel procédé.
Dans le procédé présenté ici, les ondes ultrasonores sont générées à partir d’une impulsion laser et ne nécessite pas le contact physique entre un émetteur et la surface de la pièce à sonder. Il n’y a pas de contact nécessaire quelle que soit la température de surface de la pièce, notamment une température importante à la fin d’un procédé de fabrication par fonderie. Par ailleurs, un tel procédé est parfaitement reproductible, facilement adaptable à des géométries même complexes et ne nécessite pas d’immerger la pièce à analyser ou de lui appliquer le couplant ultrasonore ou un transducteur piézo électrique.
Les ondes ultrasonores générées à partir d’impulsion laser peuvent s’élever à des fréquences acoustiques de quelques dizaines de MHz, correspondant à une sensibilité de la détection de défaut au moins aussi bonne que pour des systèmes utilisant des ondes ultrasonores de 100 kHz à 20 MHz.
Enfin, la zone morte, c’est-à-dire la zone située sous la surface de la pièce à analyser et pour laquelle l’application du procédé ne permet pas d’obtenir des mesures précises, est plus faible voire nulle dans le cas d’un procédé fondé sur des impulsions laser en comparaison à un procédé fondé sur des transducteurs mécaniques.
Focalisation
La région d’intérêt pour laquelle on souhaite établir la présence ou l’absence d’un défaut doit, au cours du procédé, correspondre au lieu de focalisation de l’onde ultrasonore. Il est donc nécessaire de contrôler le lieu de cette focalisation.
Dans le cas d’un matériau isotrope, il est possible d’illuminer la surface avec une impulsion laser présentant un profil spatial en forme d’anneau. La profondeur de focalisation est contrôlée par le rayon de l’anneau. La position dans le plan de la surface de la focalisation est contrôlée par la position du centre de l’anneau dans le plan de la surface.
Le rayon de l’anneau dépend de manière linéaire de la profondeur, le rayon pouvant également dépendre du type d’onde longitudinale ou transverse utilisée.
Dans le cas d’un matériau orthotrope ou à symétrie cubique, il est possible d’illuminer la surface avec une impulsion laser présentant un profil spatial plus complexe, par exemple en forme d’ellipse. La profondeur de focalisation est contrôlée par le petit axe et le grand axe de l’ellipse. La position dans le plan de la surface de la focalisation est contrôlée par la position du centre de l’ellipse dans le plan de la surface.
La forme du profil spatial utilisée peut également dépendre du type d’onde longitudinale ou transverse, de l’atténuation, ou autre. Dans le cas d’un matériau anisotrope, la surface peut être illuminée avec une impulsion laser présentant un profil spatial plus complexe. Ce profil spatial peut notamment suivre un contour fermé et peut être calculé numériquement à partir des caractéristiques du matériau anisotrope. Procédé de sondage d’un défaut sous un point
IL peut être intéressant de sonder la matière sous un point particulier de la surface et d’établir à diverses profondeurs la présence éventuelle d’un défaut.
Il est proposé à cet effet un procédé T, représenté sur la figure 6, de détection d’un défaut situé sous un point balise, le point balisé étant situé à la surface d’une pièce. Le procédé comprend une première étape T1 de choix d’une pluralité de points d’étude situés dans la pièce sous le point balise. Les points d’étude sont situés sur la normale N à la surface passant par le point balise, à différentes distances du point balise. Dans une deuxième étape T2 il est déterminé pour chaque point d’étude un profil spatial d’une impulsion laser adaptée pour que l’illumination de la surface par l’impulsion laser génère une onde ultrasonore se focalisant dans une région d’intérêt centré sur le point d’étude. Chaque point d’étude est au centre d’une région d’intérêt situé sous le point balise à une certaine profondeur. Compte- tenu de ce qui a été présenté précédemment, il est possible de choisir un profil spatial particulier d’une impulsion laser de sorte que si cette impulsion illumine la surface, une onde ultrasonore est créée et se propage en se focalisant au niveau de ladite région d’intérêt. Il est possible d’adapter le choix de la pluralité de points d’étude en fonction d’une étendue de la région d’intérêt. Notamment il est possible de choisir une pluralité de points de sorte que les étendues de détection correspondantes sont juxtaposées les unes contre les autres sans superposition ni espace entre elles. Dans une troisième étape T3 il est appliqué pour chaque point d’étude le procédé de détection d’un défaut dans la région d’intérêt correspondante selon la présentation qui a été donnée plus haut. De cette manière, la présence ou l’absence d’un défaut est déterminée pour chaque point de la pluralité de point. Il est ainsi possible d’établir la présence d’un défaut sous un point balise de la surface de la pièce et sa profondeur si le défaut est détecté.
Les procédés que l’on a présentés peuvent être mis en oeuvre pour le contrôle non destructif d’une pièce d’un moteur d’aéronef, et la validation de cette pièce avant qu’elle ne soit assemblée au sein du moteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (P) de détection d’un défaut dans une région d’intérêt positionnée dans le volume d’une pièce comprenant les étapes suivantes : (P1 ) illumination d’une surface de la pièce par une impulsion laser présentant un profil spatial adapté pour la génération d’une onde ultrasonore de volume (longitudinale ou transverse) se focalisant dans la région d’intérêt ;
(P2) acquisition d’un signal de mesure de l’onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt ; le procédé (P) étant caractérisé en ce que l’impulsion laser est adaptée pour générer un effet non linéaire sur l’onde ultrasonore volumique si le défaut est présent dans la région d’intérêt, et en ce que le procédé comprend en outre une étape : (P3) de comparaison du signal de mesure à un signal de référence, le signal de référence comprenant une estimation d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut. 2. Procédé selon la revendication 1 comprenant en outre une étape (P4) d’affichage d’une information concernant la présence du défaut dans la région d’intérêt en fonction du résultat de l’étape de comparaison.
3. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel le signal de référence est obtenu par l’un au moins des moyens suivants : simulation, calcul théorique, traitement d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut, et/ou traitement d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque l’impulsion laser est adaptée pour ne pas générer un effet non linéaire dans l’onde ultrasonore si le défaut est présent dans la région d’intérêt.
4. Procédé (P) de détection selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le signal de mesure comprend une série temporelle de valeurs, l’étape (P3) de comparaison comprenant en outre les sous étapes suivantes : (P31 ) détermination d’un signal d’exploitation à partir du signal de mesure, le signal d’exploitation étant choisi parmi la série temporelle de valeurs, une transformée de Fourrier de la série temporelle de valeurs, un spectre de Fourrier en amplitude de la série temporelle de valeurs et/ou un spectre de Fourrier en phase de la série temporelle de valeurs, (P32) détermination d’un paramètre mesuré caractéristique du signal d’exploitation,
(P33) comparaison du paramètre mesuré à un paramètre de référence caractéristique du signal de référence.
5. Procédé (P) de détection selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel la pièce est formée d’un matériau isotrope et le profil spatial de l’impulsion laser est en forme d’anneau.
6. Procédé (T) de détection d’un défaut situé sous un point balise, le point balise étant situé à la surface d’une pièce, comprenant les étapes suivantes :
(T1 ) choix d’une pluralité de points d’étude situés dans la pièce sous le point balise ;
(T2) détermination pour chaque point d’étude d’un profil spatial d’une impulsion laser adaptée pour que l’illumination de la surface par l’impulsion laser génère une onde ultrasonore se focalisant dans une région d’intérêt centré sur le point d’étude ;
(T3) application pour chaque point d’étude du procédé de détection d’un défaut dans la région d’intérêt correspondante selon l’une des revendications 1 à 5. 7. Procédé de détection selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel la pièce est une pièce d’un moteur d’aéronef.
8. Dispositif de détection d’un défaut dans une région d’intérêt positionnée dans le volume d’une pièce comprenant : une source laser impulsionnelle adaptée pour générer une impulsion laser et un système optique adapté pour modifier le profil spatial de l’impulsion laser générée par la source, l’impulsion laser illuminant une surface de la pièce, le profil spatial étant adapté pour la génération d’une onde ultrasonore de volume (longitudinale ou transverse) se focalisant dans la région d’intérêt, un système d’acquisition acoustique adapté pour mesurer l’onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt, l’impulsion laser étant adaptée pour générer un effet non linéaire sur l’onde ultrasonore volumique si le défaut est présent dans la région d’intérêt, et un système de traitement du signal adapté pour comparer le signal de mesure à un signal de référence, le signal de référence comprenant une estimation d’un signal acquis d’une onde ultrasonore focalisée dans la région d’intérêt lorsque la région d’intérêt ne contient pas de défaut.
9. Dispositif de détection selon la revendication 8 dans lequel le système optique est adapté pour que l’impulsion laser présente un profil spatial d’anneau.
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