Introduction aux ultrasons et aux ondes guidées

La corrosion correspond à l’altération, la dégradation d’un matériau ou d’une structure du fait d’une réaction chimique d’oxydation avec son environnement. Les résultats de ce mécanisme peuvent se présenter sous diverses formes. Tout d’abord cela affaiblit les structures par enlèvement de matière et provoque une réduction d’épaisseur et des modifications des propriétés du matériau. Les dégâts peuvent également être beaucoup plus localisés, on parle alors de piqûres de corrosion. Ceci ajoute dans une pièce des concentrateurs de contrainte pouvant aboutir à l’amorce d’une fissure. Il existe des solutions pour prévenir cette dégradation comme l’utilisation de matériaux peu réactifs tels les aciers inoxydables, les aluminiums et des traitements de surface comme la galvanisation pour renforcer la pièce contre la corrosion. Mais selon les propriétés de l’environnement et des charges imposées sur la pièce une dégradation peut avoir lieu. Ceci montre la nécessité de contrôler l’évolution de la sévérité de l’oxydation afin d’éviter une rupture d’une structure.

Le contrôle non destructif (CND) regroupe un ensemble de techniques utilisant divers principes physiques mais ayant toutes le même objectif : contrôler les capacités d’un matériau ou d’une structure à remplir sa fonction sans la détériorer. Les techniques sont nombreuses et vont de la simple inspection visuelle à des procédés d’inspection plus complexes utilisant les courants de Foucault, la radiographie ou bien des ondes ultrasonores. Chacune de ces techniques, du fait des principes physiques utilisés, possède des avantages et des inconvénients dépendamment du cas rencontré : défaut en surface, en profondeur, orientation et taille du défaut, temps d’inspection maximal admis ou bien l’accessibilité de la zone à contrôler. L’intérêt pour le CND n’a cessé de croître depuis la fin du siècle dernier jusqu’à devenir aujourd’hui une partie essentielle d’industries de pointe, comme l’automobile, l’aérospatiale, l’énergie qu’elle soit nucléaire ou fossile, ou bien dans le domaine de la santé. Les gains de la prévention de rupture sur des structures à forte valeur ajoutée ou pouvant causer d’importants dégâts sur l’environnement proche permet une économie majeure dans ces industries en réduisant notamment les coûts de maintenance.

Une région corrodée peut être assimilé à une réduction locale d’épaisseur. Dans le cas d’une surface standard des mesures ponctuelles de type pulse-écho peuvent permettre de rapidement obtenir l’épaisseur de la région d’inspection. Cependant dans le cas d’un tuyau par exemple de nombreuses régions ne sont pas accessibles à cause d’un enterrement ou d’un support : il est donc compliqué voire impossible de réaliser ce type de mesure. La tomographie ultrasonore peut permettre de cartographier l’épaisseur de ces zones mais elle nécessite une grande précision dans le positionnement des transducteurs. C’est également un procédé qui demande un traitement de données lourd pour reconstruire les images.

La méthode alternative qui a été développée dans ce projet est d’utiliser des ondes guidées de cisaillement horizontal (SH). En fonction de l’épaisseur du guide d’onde et de la fréquence utilisée, plusieurs modes peuvent être générés. A l’exception du mode fondamental tous ont comme caractéristique commune l’existence d’un produit fréquence-épaisseur en dessous duquel ils ne peuvent plus se propager. Des études avec des sondes multiéléments piézoélectriques ont démontré que ce phénomène peut être utilisé afin de déterminer l’épaisseur minimale entre deux points. La principale difficulté dans cette technique est la mise en pratique de cette théorie : choix de la méthode de transduction et bande fréquentielle utilisée. L’objectif de ce projet sera d’évaluer les capacités de sondes acoustiques électromagnétiques (EMAT) à générer une onde SH multimodale qui se propagera sur une surface d’épaisseur variable. Les modes qui auront pu se propager à travers le défaut seront détectés et l’épaisseur minimale de celui-ci en sera déduite.

Introduction aux ultrasons et aux ondes guidées

Afin d’être capable de déterminer l’épaisseur minimale d’une structure corrodée à l’aide d’ondes guidées il est d’abord nécessaire de comprendre les différents phénomènes impliqués dans une inspection ultrasonore. Par définition une onde ultrasonore est une onde mécanique se propageant à une fréquence supérieure à 20 kHz soit la limite audible. Ces ondes et leurs utilisations dans le milieu du contrôle non destructif ont été étudiées de nombreuses fois dans les décennies passées (Cheeke, 2012; Gazanhes & Jessel, 1976; Shull, 2016).

Les ondes ultrasonores conventionnelles

L’équation de propagation
Les ondes ultrasonores de volumes ou conventionnelles sont le résultat d’une perturbation se propageant dans un milieu infini ou semi-infini. Il est possible, en fonction du mouvement des particules du solide et de la direction de propagation, de différencier trois types d’ondes de volumes . Les ondes longitudinales, ou ondes de pression (P), sont caractérisées par un déplacement selon le même axe que la direction de propagation. Les ondes de cisaillement ont un déplacement perpendiculaire à la direction de propagation. Il existe donc deux sous-catégories d’ondes de cisaillement : les ondes de cisaillement verticales (SV) et les ondes de cisaillement horizontales (SH).

Les ondes de cisaillement horizontale

Les ondes guidées de cisaillement horizontales résultent des réflexions des ondes de volume SH sur les parois de la plaque. En faisant l’hypothèse d’une onde SH se propageant  ܾdans la direction x et donc avec une perturbation selon la direction z on peut grâce aux travaux de (Cheeke, 2012) simplement obtenir les équations de propagation d’une onde guidée SH.

La génération d’onde ultrasonore 

La génération d’une onde ultrasonore dans un matériau peut se faire de plusieurs manières : génération par transducteurs piézoélectriques, génération par transducteurs électromagnétique acoustiques et génération par laser pulsé. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients. Cette section présentera les deux premières méthodes citées.

Les transducteurs piézoélectriques 

La piézoélectricité désigne la propriété de certains éléments à générer une différence de potentiel sous l’effet d’une contrainte mécanique et inversement. Cette propriété est due à la structure cristalline du matériau, celle-ci lorsqu’elle est non symétrique entraîne la création d’un dipôle électrique. Lorsque ce corps est soumis à une contrainte mécanique ce dipôle se déforme ce qui entraîne un déplacement de charge, inversement lorsqu’un champ électrique le parcourt un mouvement est généré. Les céramiques piézoélectriques sont les matériaux les plus utilisés pour la réalisation de sonde. Ils sont polarisés à l’aide d’un champ électrique puissant. Leur principale limitation est leur température maximale d’utilisation. En effet ils sont caractérisés par une température spécifique appelé température de Curie au-dessus de laquelle se dépolarisent. En influençant la direction de polarisation il est possible de contrôler la nature de l’onde excitée : longitudinale ou cisaillement. L’efficacité de ce type de sonde dépend énormément de la qualité du contact avec la pièce c’est pourquoi des couplants liquides ou visqueux sont souvent utilisés en complément.