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CFA - Tours 2006
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Acoustique
&
Techniques n° 45
ous êtes vous déjà demandé pourquoi, lorsqu’elle
est frappée, le ton d’une cloche intacte sonne plus haut
et plus longuement qu’une cloche fissurée ? Ou pourquoi
le ton d’une cloche fissurée semble s’abaisser lorsque
celle-ci est frappée plus fort, comparé à celui-ci lorsqu’elle
est frappée moins fort ? Ou quelle est l’origine des
harmoniques, responsable de la brillance du timbre de
cette même cloche, mais fissurée ? L’origine de ces effets
se trouve dans les propriétés spéciales de la cloche, et
surtout du matériau constituant la zone dégradée autour
de la fissure. Les microfissures sont responsables de la
très forte dépendance de la célérité et de l’atténuation des
ondes se propageant dans le matériau, à l’amplitude de
l’excitation leur donnant naissance. Le matériau est alors
« élastiquement non linéaire », ce qui veut simplement
dire que la fameuse loi d’élasticité de Hooke (déformation
proportionnelle à la contrainte) atteint ses limites de validité.
Une correction doit dorénavant être prise en compte
Détection et localisation de
microdégradation de matériaux par
spectroscopie d’ondes élastiques non
linéaires
Koen Van Den Abeele
Laboratory of nonlinear ultrasound spectroscopy
Katholieke Universiteit Leuven
Campus Kortrijk
B-8500 Kortrijk
BELGIQUE
E-mail : koen.vandenabeele@kuleuven-kortrijk.be
Serge Dos Santos
LUSSI - CNRS
Université François-Rabelais de Tours
GIP Ultrasons ENIVL
Rue de la Chocolaterie
F-41034 Blois CEDEX
E-mail : serge.dossantos@univ-tours.fr
Résumé
Les systèmes de contrôle-qualité des matériaux possédant une grande sensibilité de détection,
une quantification fiable et une localisation précise des défauts et de la dégradation micro-
structurelle restent très demandés dans les domaines des technologies de pointe, comme
l’aéronautique par exemple. Les méthodes de Spectroscopie d’Ondes Élastiques Non Linéaires
(NEWS pour Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy) constituent une famille relativement jeune
de techniques innovantes de contrôle non-destructif (CND) exploitant, en vue de diagnostic,
la signature macroscopique de la dégradation à l’échelle microscopique, provenant de la
non-linéarité et de la propriété non-univoque de la relation contrainte-déformation à l’échelle
microscopique. Parmi les signatures de la non-linéarité, on peut citer la dépendance du
module d’élasticité en fonction de l’amplitude, l’extra-atténuation non linéaire, la génération
d’harmoniques et de produits d’intermodulation, les effets de modulation de phase, les
phénomènes de dynamique lente, etc. Dans cet article, nous nous proposons d’illustrer la
très bonne sensibilité des méthodes non linéaires NEWS par rapport aux méthodes linéaires
traditionnelles pour la détection de défauts, naissant sous la forme de microfissures ou de
délamination, d’affaiblissement des liaisons adhésives, de dommages thermiques ou chimiques,
mais également pour le monitoring de l’évolution structurelle des matériaux. En plus de constituer
des techniques de diagnostic, les observations macroscopiques des différentes signatures de la
non-linéarité sont désormais considérées comme des approches performantes pour de nouvelles
fonctions d’imagerie haute sensibilité. À titre d’exemple, la symbiose des techniques classiques
de renversement temporel (RT) acoustique et de la spectroscopie non linéaire nous apporte
une contribution significative pour l’imagerie localisée de zones de microdégradation. Il s’agit
de l’une des seules techniques connue aujourd’hui pour dissocier les réponses linaires (cavités,
interfaces) des diffuseurs non linéaires (zone de défauts, fissures). Le concept de non-linéarité
explorée à partir de techniques de retournement temporel est abordé dans cet article d’un point
de vue numérique et expérimental.
Abstract
Quality control systems for sensitive detection, quantification and localization of microstructural
damage are currently high in demand. Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy (NEWS) comprises
a relatively new class of innovative non-destructive techniques that exploits macroscopic
signatures of microdamage resulting from the nonlinearity and non-uniqueness of the stress-strain
relation at the microscopic level for diagnostic purposes. These nonlinearity signatures include
amplitude dependent modulus reduction, nonlinear attenuation, generation of harmonics and
intermodulation frequencies, phase modulation, slow dynamics, etc. In this paper we illustrate
the high sensitivity of NEWS in comparison with traditional linear techniques for the detection of
incipient damage in the form of microcracks or delaminations, weakening of adhesive bonds,
thermal and chemical damage, and for the monitoring of microstructural evolutions. In addition
to being a diagnostic technique, macroscopically observed signatures of nonlinearity have been
introduced in innovative approaches for new and sensitive imaging techniques. As an example,
the combination of classical time reversed acoustics and nonlinear spectroscopy brings about
a significant enhancement of imaging localized areas of microdamage, and is one of the only
techniques known today to discriminate between a linear (void) and a nonlinear scatterer (crack).
The concept of nonlinearity based time reversed techniques is discussed both from a numerical
and an experimental point of view.
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