Contrôle non destructif Emission Acoustique

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Contrôle non destructif
Emission Acoustique
Principes physiques
Bien évidemment, lorsqu’une contrainte interne ou externe est appliqué à un matériau,
l’énergie emmagasinée peut être brutalement réduite par un réarrangement de la structure
interne du matériau. De même, un une partie de l’énergie rayonnée se propage sous la
forme d’ondes élastiques transitoires. Cette énergie rayonnée constitue l’émission
acoustique.
Dans le domaine de contrôle non destructif, l’émission acoustique s’avère une méthode qui
permet de percevoir en temps réel l’apparition d’un signal résultant d’une décohésion dans
un matériau. C’est également une méthode de contrôle à caractère volumique en raison de
l’émission et de la propagation des ondes élastiques.
1 Propriétés de l’émission acoustique :
L’étude des caractéristiques de l’émission acoustique commence par ses causes
principales qui lui donne naissance. En fait, deux causes sont à l’origine de ce phénomène :
La déformation plastique du matériau :
Elle est homogène dans le cas des alliages d’aluminium, ou hétérogène lors des
mouvements de dislocation.
Cette déformation peut aussi se faire soit par un maclage dans le cas des matériaux
cristallisant dans le système hexagonal compact ou cubique centré, soit par le fluage c’est à
dire glissements intergranulaires.
Lorsqu’il s’agit d’une déformation plastique, l’énergie émis est de l’ordre de 10-13 à 10-10
joule.
Les phénomènes de rupture :
Ils sont en lien avec l’initiation de fissures par concentration des contraintes, ou les
différents types du rupture (ductiles, fragiles ou par fatigue).

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Les énergies libérées par ces processus de rupture sont plus importantes et elles sont de
l’ordre 10-6 à 10-4 joule.
Pratiquement, on trouve d’autres causes à l’origine de l’émission acoustique, on cite les
fuites d’un fluide liquide ou gazeux, les transformations de phase des matériaux métalliques
lors d’une variation de température ou les phénomènes de cavitation lors de la circulation
d’un fluide dans une canalisation.
Par conséquent, nous savons maintenant que l’émission acoustique prend la forme ‘une
onde sonore élastique à caractère périodique. Sa fréquence peut se situer dans un très
large spectre qui s’étend du domaine audible au domaine ultrasonore, soit 10 Hz < f < 30
MHz.
La représentation qui rend compte de façon réaliste et chronologique des modifications de
géométrie, les états de contrainte transitoires, est possible, en effet, l’évolution d’une onde
acoustique dans un solide est comme suit (voir figure 1):
·üSous l’effet d’une cause en point solide d’un solide se produit un déplacement
d’amplitude quelconque d dont l’allure est présenté dans la figure suivante :
·üCe déplacement engendre à son tour un créneau de contrainte s d’allure
gaussienne :
·üA la surface du matériau, une partie de cette énergie de transformation se transmet
par une onde vibratoire élastique dont le spectre est celui d’un bruit ou d’un son à large
bande.

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Il est remarquable que la propagation d’onde se fait sous différentes formes selon les
caractéristiques dimensionnelles du matériau.
C’est ainsi qu’une décohésion interne peut donner naissance successivement à des ondes
de volume (longitudinal ou transversal) ou de surface (de Rayleigh) ou de plaque (de Lamb)
(voir figure 2).
Si on se place dans la condition ou les structures sur lesquelles on cherche les sources
d’émission acoustique, sont minces, on constate que :
·üLes ondes de volume émises par la source se transforment aux contacts des
surfaces en ondes de surface (de Lamb).
·üLes ondes de surface (de Rayleigh) se trouve à une mince couche du matériau dont
l’épaisseur et de l’ordre de la longueur d’onde. Elles se propagent à une vitesse VS
inférieure à celle des ondes transversales telle que VS = 0.9 VT.
·üLes ondes de Lamb peuvent se propager en un grand nombre de modes
symétriques et asymétriques dont chacun d’eux dépend du produit fréquence fois
l’épaisseur de la paroi.
La figure 2 illustre les différentes ondes décrites précédemment.
2 Détection des sources d’émission acoustique :
2.1 Principe général :
Pour avoir une bonne détection des signaux d’émission acoustique, une chaîne de
détection, d’acquisition et de traitement adéquates s’avèrent nécessaire.

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Cette chaîne comporte successivement :
Un capteur les plus fréquemment utilisés est de type piézo-électrique et plus
précisément des céramiques ferroélectriques comme le titanate de baryum et le titanate
zirconate de plomb, puisqu’il est caractérisé par une grande sensibilité, la possibilité
d’être taillées suivant des géométries complexes et leur faible coût. Il est important de
noter que ses capteurs fonctionnent en mode résonnant dont la sensibilité est de l’ordre
de 1 Volt / mbar. Leurs fréquences de résonance sont généralement comprises entre
100 kHz et 1 MHz.
Les capteurs délivrent un signal électrique E de faible amplitude telle que : E = g . P
(exprimé en V.m-1),
Où g est le coefficient de réception du matériau constituant la céramique (exprimé en
V.m.N-1),
P est la pression résultant d’un léger déplacement de la surface
(exprimé en V.m-2).
Un préamplificateur des signaux acquis par le capteur dont le gain varie de 20 à 60
dB.
Un câble de transmission reliant le préamplificateur à un filtre passe-haut destiné à
éliminer les bruits mécaniques de l’environnements.
Un second amplificateur à gain variable de 20 à 80 dB en lien avec des filtres
passe-haut et passe-bande pour parfaire l’élimination des bruits parasites.
Dans la phase finale, ces signaux sont conditionnés pour un autre traitement préalable,
citons à titre d’exemple, la visualisation des résultats, l’enregistrement ou traitement en
temps réel ou différé.
2.2 Les milieux de couplage :
Pour utiliser le capteur dans les meilleurs conditions, il faut éliminer le milieu gazeux entre
la surface du matériau à contrôlé et le capteur, c’est à dire pour mieux transmettre les
vibrations. Par la suite, il est nécessaire de remplacer le milieu gazeux par un milieu liquide
ou solide dont l’impédance acoustique z est plus grande telle que : Z = r . V
Où r est la masse volumique du milieu
V est la vitesse de propagation de l’onde sonore ou ultrasonore dans ce milieu.
Le choix du couplant doit tenir compte de l’environnement (température, humidité,
rayonnement,…) de la sensibilité de la structure contrôlée à la corrosion et de la fixation
mécanique du capteur.
Pratiquement, les milieux de couplage les plus utilisés sont soit visqueux (graisses aux
silicones, gel spécial), soit solides (ciment, céramique,…).
En revanche, il faut faire attention à leur influence sur l’atténuation des ondes qu’ils
transmettent à la céramique piézo-électrique du capteur.
2.3 Traitement des signaux d’émission acoustique :
Il est certain que sous l’effet d’une sollicitation la plupart des solides émettent des ondes
de contrainte.
Deux types des signaux peuvent être traduites par le capteur :
Le type continu dont l’allure est semblable à un bruit de fond. Un tel signal

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correspond généralement à plus de 1000 oscillations de très faible énergie par second.
Le type pulsionnel : il s’agit d’une succession des paquets des impulsions
d’émission acoustique d’énergie beaucoup plus élevée que précédemment.
Les fréquences contenues dans chaque paquet des impulsions dépendent à la fois de la
nature du phénomène ainsi que des fonctions de transfert du matériau et du capteur.
Une fois les signaux sont acquis par le capteur, il existe alors des nombreux traitements
pour exploiter ces signaux. Les trois principaux traitements les plus connus sont :
L’analyse global : Elle s’applique aux deux types de signaux continus et pulsionnels.
Cette analyse peut être effectuée :
Par comptage : le processus consiste à comparer les signaux traduites par un
capteur à un seuil de tension fixe VD (tension discriminateur). Ensuite , le dispositif de
comptage assure le comptage des impulsions qui sont à l’origine de dépassement de la
tension VD. Le comptage des impulsions est en liaison avec l’horloge, ce qui permet
d’avoir d’une part un comptage cumulé dans le temps des signaux excédant le seuil VD
et désigné par D’une autre part, le comptage peut s’effectuer que pendant un
intervalle de temps bien déterminé. On définit alors un taux de comptage dit taux
d’émission acoustique correspondant à un nombre de coups par seconde ou à un
nombre de coups en fonction d’une nombre de sollicitations mécaniques, cet comptage
est utilisé surtout pendant l’essai de fatigue.
Par mesure de l’énergie des signaux : il consiste à mesurer la quantité d’énergie
émise par la source d’émission acoustique. On considère généralement que l’énergie
des signaux recueillis est proportionnelle à l’énergie libérée à condition de tenir compte
de l’atténuation des ondes pendant leur propagation.
Entre deux instants T1 et T2, l’énergie électrique E(t) d’un signal S(t) est définie par
Le théorème de Perceval nous permet d’écrire l’égalité suivante :
S(f) est la transformée de Fourier du signal S(t).
Puisque l’énergie est reliée à la fréquence, il est nécessaire donc d’utiliser un capteur à
large bande passante.
Selon la nature S(t), on peut également calculer sa valeur efficace ou RMS telle
que :
Par l’analyse de la distribution en amplitude : l’intérêt de l’analyse en amplitude
réside dans le fait que pour une même phénomène et un dispositif expérimental donné,
les amplitudes maximales correspondant à chacune des paquets des impulsions sont
généralement réparties suivant une courbe de la forme
où A est l’amplitude maximale de chaque paquets d’impulsion comprise entre V et
V+DV,
A0 est l’amplitude minimale décelable correspondant à la tension V,
b est l’exposant caractéristique du phénomène qui est à l’origine de l’émission
acoustique décelée.
f(A) :est la distribution cumulée des amplitudes maximales.
L’exemple suivant traite la distribution en amplitude des paquets d’impulsion enregistrée
lors de l’essai de traction d’une éprouvette d’acier à faible teneur en carbone où b=2.2.