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eCFA - Tours 2006
Acoustique
&
Techniques n° 45
Finalement, la température diminue progressivement
jusqu’à la température ambiante pendant la phase
complexe de mise en place structurelle. Si nous
analysons la signature non linéaire, nous pouvons noter
que, dans la phase « fluide », l’atténuation ultrasonore
est trop importante et l’intensité de transmission trop
faible pour pouvoir mesurer les effets non linéaires.
Cependant, dès que l’activité chimique dans le béton
se développe et que le seuil de percolation est atteint
(juste avant le pic de température), nous observons une
augmentation significative de la non-linéarité de l’onde
longitudinale S. Nous prétendons que l’augmentation
reflète la friction micromécanique qui est générée
entre les liaisons parallèles des particules. Lorsque
les connexions deviennent de plus en plus fortes, la
non-linéarité transverse diminue en même temps que
la température. Le développement de la non-linéarité
longitudinale est retardé par rapport à la non-linéarité
transverse, et se manifeste en premier durant la phase
finale de l’activité chimique (la phase de remplissage des
pores capillaires) et durant le premier fluage mécanique
(création de microfissures par dessiccation pouvant être
activés par des ondes de pression). Dans cette phase, on
observe à nouveau une augmentation de la non-linéarité
transverse.
À ce moment, nous attribuons cette croissance à la
dessiccation mécanique qui modifie significativement l’état
de contrainte à l’intérieur de l’échantillon de béton, et qui
crée des microfissures avec des ouvertures suffisamment
larges pour favoriser le cisaillement non linéaire.
Cependant, dès que les fissures sont trop ouvertes, et
soumises à de trop grosses contraintes, la non-linéarité ne
peut plus être activée par la dynamique acoustique, et l’on
s’attend, à long terme, à une décroissance significative
de la caractéristique non linéaire. En conclusion, nous
prétendons que l’origine de la non-linéarité observée
peut être reliée à la modification micromécanique de la
composition du béton, et à la structuration mécanique
progressive de l’échantillon (longitudinale et transverse).
Les trois exemples ci-dessous illustrent la puissance et
la sensibilité des techniques NEWS pour le diagnostic de
l’endommagement des matériaux complexes et pour le
monitoring des modifications structurelles.
Les méthodes NEWS pour la localisation des
microdégradations
L’apport des études de laboratoire utilisant les méthodes
NEWS a permis de souligner deux principes importants :
- l’observation macroscopique de la signature de la non-
linéarité provient des zones de microdégradation et
résulte de la relation contrainte-déformation non linéaire
micromécanique ;
- les signatures non linéaires sont générées plus
efficacement dans les régions où la déformation acoustique
dans l’échantillon est le plus important.
Ces deux principes peuvent être utilisés comme la
base de nouvelles techniques de visualisation des
microdégradations ou des modifications complexes
locales des milieux [25-29]. Nous proposons d’aborder,
dans ce qui suit, quelques procédures innovantes pour
lesquelles nous distinguerons les approches locales et
globales.
Approche d’interrogation globale
Comme approche globale pour le problème de la
localisation des microdégradations, nous proposons
une méthodologie NEWS qui exploite la signature non
linéaire de plusieurs modes consécutifs de résonance de
l’échantillon [26]. Pour étudier la non-linéarité d’un mode
spécifique, on peut utiliser la technique NRS décrite
précédemment [12-13], ou la technique NRS en fréquence
plus connue sous le nom de SIMONRUS [9-11]. Après
avoir effectué l’acquisition du décalage de la fréquence de
résonance, et/ou de la génération d’harmoniques pour de
nombreux modes de résonances, et en interprétant ces
valeurs vis-à-vis du champ de contrainte et de déformation
de ces nombreux modes de résonance, il est possible de
procéder à la localisation de la source de non-linéarité.
Pour ce faire, il suffit de pondérer la signature de la
non-linéarité pour chaque mode par la caractéristique
donnant la distribution de puissance des déformations.
Cette méthode dénommée MuMoNRUS (pour Multimode
Nonlinear Resonance Ultrasound Spectroscopy) exploite
la Spectroscopie ultrasonore des résonances multimodes
non linéaires.
À titre d’exemple, si on suppose un système simple
unidimensionnel (0 ≤ x ≤ L) excité à une extrémité. Si
ce système contient une source locale de non-linéarité
(microdégradation), nous pouvons examiner les réponses
non linéaires des résonances propres du système
proches des N fréquences de résonance k = k (c/2L),
avec L la longueur du système, et c la célérité des ondes
longitudinales. Si on suppose que Sk est la signature
non linéaire du mode k, représentant le coefficient de
proportionnalité entre le décalage de fréquence de
résonance et l’amplitude de déformation du mode k (i.e.
Δfk = Skε, avec e l’amplitude maximale de déformation du
mode k), la distribution pondérée MuMoNRUS peut alors
être écrite par :
Le maximum de la fonction W (x) nous renseigne sur la
localisation de la microdégradation. Un exemple numérique
permettant le calcul de Sk est illustré en Figure 7 pour
un barreau de 250 mm de long comportant une zone
dégradée de 5 mm localisée à 80 mm du bord gauche. La
zone de microdégradation est modélisée par une relation
contrainte-déformation non linéaire et hystérétique. Le
graphique de gauche montre la sensibilité Sk des 15
premiers modes de résonance.
La fonction MuMonRUS W (x) pour les 5 premiers modes
et pour l’ensemble complet des 15 modes est présentée
à droite. La procédure est extrêmement efficace pour la
détermination de la position du défaut, mis à part le fait
que, pour des raisons de symétrie des modes par rapport
Détection et localisation de microdégradation de matériaux par spectroscopie d’ondes élastiques non linéaires