FR2970337A1 - Method for estimating porosity of e.g. composite material part of aircraft, involves utilizing joint ultrasonic characterization process for estimating value of porosity degree and thickness of material part - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un procédé de caractérisation ultrasonore conjointe de l'épaisseur et du taux de porosité de matériaux ayant des propriétés ultrasonores atténuantes. Cette invention relève du domaine des opérations de contrôle non destructif de pièces constituées de matériaux ayant des propriétés d'atténuation des ultrasons. Ces matériaux sont, par exemple, les matériaux composites ou les matériaux métalliques à gros grains utilisés dans l'aéronautique. The present invention relates to a method of joint ultrasonic characterization of the thickness and porosity rate of materials having attenuating ultrasonic properties. This invention relates to the field of non-destructive testing of parts made of materials having ultrasonic attenuation properties. These materials are, for example, composite materials or coarse metal materials used in aeronautics.
Contexte de l'invention et problèmes posés La grande majorité des pièces de construction aéronautique en cours de production sont inspectées par des méthodes ultrasonores permettant de vérifier la qualité des matériaux et structures mis en jeu. Lors de ces opérations d'inspection on souhaite obtenir des informations notamment sur la présence d'hétérogénéités assimilables à des défauts, sur la présence de porosité dans le matériau, sur l'épaisseur géométrique des zones inspectées. On s'intéresse ici particulièrement à la mesure du taux de porosité et de l'épaisseur d'une pièce en matériau composite, ou plus généralement, ayant des propriétés d'atténuation des ultrasons. Le problème est alors de mesurer, avec une incertitude la plus réduite possible, à la fois l'épaisseur du matériau inspecté et son taux de porosité. Context of the invention and problems posed The vast majority of aeronautical construction parts in production are inspected by ultrasonic methods to verify the quality of the materials and structures involved. During these inspection operations it is desired to obtain particular information on the presence of heterogeneities comparable to defects, on the presence of porosity in the material, on the geometrical thickness of the inspected areas. Of particular interest here is the measurement of the porosity rate and the thickness of a composite material part, or more generally, having ultrasonic attenuation properties. The problem is then to measure, with the smallest possible uncertainty, both the thickness of the material inspected and its porosity rate.
Dans les procédés d'évaluation de porosité dans un matériau actuellement utilisés, la quantité physique communément mesurée est l'atténuation d'une onde ultrasonore traversant le matériau considéré. Cette atténuation est mesurée sur un écho de référence ayant traversé le matériau, par exemple sur l'écho de fond de pièce comme indiqué sur la fiqure 1. On peut citer notamment, dans cette famille de procédés, un procédé décrit dans la demande de brevet US 2007/0089479. Dans celui-ci, on réalise en premier lieu un échantillon dans un matériau de référence homogène (c'est-à-dire n'étant pas en matériau composite) présentant des inclusions maîtrisées représentatives des bulles présentes dans la matrice du matériau composite de la pièce. On effectue ensuite une mesure d'atténuation ultrasonore sur cet échantillon. Puis on compare le résultat avec le résultat de l'inspection de la pièce en matériau composite, dont on cherche à déterminer le taux de porosité. In currently used material porosity evaluation methods, the commonly measured physical quantity is the attenuation of an ultrasonic wave passing through the material under consideration. This attenuation is measured on a reference echo that has passed through the material, for example on the part background echo as indicated in FIG. 1. In this family of methods, mention may be made in particular of a method described in the patent application. US 2007/0089479. In this, a sample is first made in a homogeneous reference material (that is to say not being made of composite material) having controlled inclusions representative of the bubbles present in the matrix of the composite material of the piece. An ultrasonic attenuation measurement is then performed on this sample. Then we compare the result with the result of the inspection of the composite material part, which is to determine the porosity rate.
Un autre procédé de mesure de porosité, permettant d'améliorer la caractérisation de la porosité, en tenant compte notamment des caractéristiques fréquentielles des capteurs utilisés (et donc des longueurs d'ondes mises en jeu par rapport aux dimensions des porosités) a été proposé dans la demande de brevet WO2009130140 (Al) ("Procédé et dispositif de contrôle non-destructif par ultrasons de la porosité d'une pièce en matériau composite") par la demanderesse. Another method of measuring porosity, making it possible to improve the characterization of the porosity, taking into account in particular the frequency characteristics of the sensors used (and therefore the wavelengths involved with respect to the dimensions of the porosities) has been proposed in patent application WO2009130140 (A1) ("Method and device for non-destructive ultrasonic testing of the porosity of a composite material part") by the Applicant.
Dans ce procédé, la mesure de l'épaisseur de la pièce analysée se fait par mesure du « temps de vol » qui correspond au temps mis par l'onde ultrasonore pour parcourir la distance séparant les deux faces d'un matériau inspecté. Une valeur d'épaisseur est ensuite obtenue en multipliant le temps mesuré par une vitesse de propagation dans le matériau (voir fiqure 2). Plus précisément, dans ce procédé, on établit un ensemble de résultats de référence correspondant à plusieurs échantillons de référence représentatifs de différents niveaux de porosité du matériau composite considéré. Ces résultats de référence sont obtenus par calcul à partir d'un ensemble restreint de données expérimentales et rendent possible l'évaluation d'un taux de porosité pour toute épaisseur de matériau et quel que soit le transducteur ultrasonore utilisé. In this method, the measurement of the thickness of the part analyzed is done by measuring the "flight time" which corresponds to the time taken by the ultrasonic wave to travel the distance separating the two faces of an inspected material. A thickness value is then obtained by multiplying the measured time by a propagation velocity in the material (see Figure 2). More precisely, in this method, a set of reference results corresponding to several reference samples representative of different levels of porosity of the composite material considered is established. These reference results are computed from a limited set of experimental data and make it possible to evaluate a porosity rate for any material thickness and regardless of the ultrasonic transducer used.
Ce procédé et les autres procédés actuels souffrent cependant d'incertitudes de mesure élevées. Par ailleurs, ces valeurs sont en général respectées tant que le matériau inspecté est sain (c'est-à-dire exempt de porosité) mais potentiellement dépassées si le matériau devient poreux, puisque la porosité modifie la vitesse de propagation. De telles incertitudes de mesures se révèlent très pénalisantes pour la conception par exemple de pièces d'aéronefs, compte tenu de la prise en compte insuffisante des phénomènes de propagation ultrasonore à l'origine des variabilités observées. Il en résulte la nécessité d'augmenter les marges de sécurité de conception, ce qui conduit à un alourdissement des pièces pour assurer la tenue de contraintes du cahier des charges. This method and the other current methods, however, suffer from high measurement uncertainties. Moreover, these values are generally respected as long as the material inspected is healthy (that is to say free of porosity) but potentially exceeded if the material becomes porous, since the porosity modifies the speed of propagation. Such measurement uncertainties prove to be very detrimental for the design of, for example, aircraft parts, given the insufficient consideration of the phenomena of ultrasonic propagation at the origin of the observed variabilities. This results in the need to increase design safety margins, which leads to increased weight of the parts to ensure the maintenance of constraints of the specifications.
Exposé de l'invention La présente invention a donc pour but de réduire cette incertitude de mesure de porosité et d'épaisseur d'un échantillon de matériau. A cet effet, elle vise selon un premier aspect un procédé d'estimation de porosité d'une pièce en matériau ayant des propriétés ultrasonores atténuantes, ledit procédé utilisant une caractérisation ultrasonore conjointe de l'épaisseur et du taux de porosité de ladite pièce. En effet, il a été noté par les inventeurs que la vitesse de propagation ultrasonore varie avec l'épaisseur du matériau ainsi qu'avec le taux de porosité de celui-ci. Dès lors, le fait de considérer une vitesse de propagation constante introduit des incertitudes importantes dans la mesure de l'épaisseur. Les fiqures 3a, 3b et 3c donnent des ordres de grandeur de variation de ces vitesses. Une caractérisation conjointe de l'épaisseur et de la porosité de la pièce permet de résoudre ce problème et de réduire significativement l'incertitude de mesure. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is therefore to reduce this uncertainty of measurement of porosity and of thickness of a sample of material. For this purpose, it aims in a first aspect a method of estimating porosity of a piece of material having attenuating ultrasonic properties, said method using a joint ultrasonic characterization of the thickness and the porosity rate of said piece. Indeed, it has been noted by the inventors that the ultrasound propagation velocity varies with the thickness of the material as well as with the porosity rate thereof. Therefore, the fact of considering a constant propagation speed introduces significant uncertainties in the measurement of the thickness. Figures 3a, 3b and 3c give orders of magnitude variation of these speeds. A joint characterization of the thickness and porosity of the part solves this problem and significantly reduces the measurement uncertainty.
Dans une mise en oeuvre préférée, le procédé de caractérisation conjointe d'épaisseur et de porosité, utilise au moins un transducteur ultrasonore, et comporte une étape initiale 100 d'estimation d'une première valeur du taux de porosité de la pièce. In a preferred implementation, the method of joint characterization of thickness and porosity, uses at least one ultrasonic transducer, and comprises an initial step 100 of estimating a first value of the porosity rate of the part.
Cette estimation est, dans un cas particulier de mise en oeuvre, réalisée par une comparaison d'une valeur d'atténuation par ladite pièce d'une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore avec au moins une valeur d'atténuation de référence d'une onde ultrasonore de chaque dit transducteur ultrasonore par un échantillon de référence Rnm d'épaisseur em et représentatif d'un taux de porosité Pn connu du matériau composite dans lequel la pièce est fabriquée. Plus particulièrement, chaque valeur d'atténuation de référence est calculée entre : - une fonction d'onde représentative d'une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore, - et le résultat d'un calcul de filtrage de la fonction d'onde par une fonction de transfert Fnm représentative d'atténuations fréquentielles subies par des ondes ultrasonores traversant l'échantillon de référence Rnm This estimation is, in a particular case of implementation, carried out by a comparison of an attenuation value by said piece of an ultrasound wave emitted by each ultrasound transducer with at least one reference attenuation value of one ultrasonic wave of each said ultrasonic transducer by a reference sample Rnm of thickness em and representative of a known porosity rate Pn of the composite material in which the part is manufactured. More particularly, each reference attenuation value is calculated between: a wave function representative of an ultrasound wave emitted by each ultrasound transducer, and the result of a filtering calculation of the wave function by a Fnm transfer function representative of frequency attenuations experienced by ultrasonic waves passing through the reference sample Rnm
Le procédé comporte une étape 200 itérative dans laquelle, partant de la première valeur estimée du taux de porosité, on réalise successivement des sous-étapes suivantes : 210 - estimation de la vitesse moyenne / du front d'onde généré par le transducteur utilisé sur l'épaisseur É de la pièce avec le taux de porosité P` précédemment estimés, 220 - nouvelle estimation de l'épaisseur É+' déduite de la mesure du temps de vol et de l'évaluation de la vitesse moyenne / calculées à l'étape 210, 230 - nouvelle estimation du taux de porosité P'+', en utilisant la nouvelle estimation d'épaisseur É+' calculée à l'étape 220, dans laquelle la nouvelle estimation du taux de porosité 0+9 est réalisée par une comparaison d'une valeur d'atténuation a par ladite pièce d'une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore avec au moins une valeur d'atténuation de référence a' d'une onde ultrasonore de chaque dit transducteur ultrasonore par un échantillon de référence R' et représentatif d'un taux de porosité P' connu du matériau composite dans lequel la pièce est fabriquée, 240 - calcul de la différence entre la nouvelle estimation de l'épaisseur et l'estimation précédente d'épaisseur, et de la différence entre la nouvelle estimation de taux de porosité et l'estimation précédente de taux de porosité, Ces sous-étapes 210, 220, 230 étant répétées jusqu'à l'obtention d'un critère de convergence prédéterminé. The method comprises an iterative step 200 in which, starting from the first estimated value of the porosity ratio, successive sub-steps are successively carried out: 210 - estimation of the average speed / wavefront generated by the transducer used on the épaisseur thickness of the part with the porosity ratio P` previously estimated, 220 - new estimate of the thickness E + 'deduced from the measurement of the flight time and the evaluation of the average speed / calculated at the stage 210, 230 - new estimation of the porosity ratio P '+', using the new estimate of thickness E + 'calculated in step 220, in which the new estimate of the porosity rate 0 + 9 is carried out by a comparison an attenuation value a by said piece of an ultrasonic wave emitted by each ultrasound transducer with at least one reference attenuation value a 'of an ultrasonic wave of each said ultrasonic transducer by a sample reference numeral R 'and representative of a known porosity ratio P' of the composite material in which the workpiece is manufactured, 240 - calculating the difference between the new estimate of the thickness and the previous estimate of thickness, and the difference between the new estimate of porosity rate and the previous estimate of porosity ratio, These substeps 210, 220, 230 being repeated until a predetermined convergence criterion is obtained.
Avantageusement, le critère de convergence consiste à vérifier que a) la différence entre la nouvelle estimation de l'épaisseur É+' et l'estimation précédente d'épaisseur É, soit inférieure à un seuil prédéterminé, ou que b) la différence entre la nouvelle estimation de taux de porosité 0+9 et l'estimation précédente de taux de porosité P` soit inférieure à un second seuil prédéterminé. Advantageously, the convergence criterion consists in verifying that a) the difference between the new estimate of the thickness E + 'and the previous estimate of thickness E, is less than a predetermined threshold, or that b) the difference between the new estimate of porosity rate 0 + 9 and the previous estimate of porosity rate P` is less than a second predetermined threshold.
Présentation des figures Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers d'un exemple non limitatif d'application. DESCRIPTION OF THE FIGURES The characteristics and advantages of the invention will be better appreciated thanks to the description which follows, description which sets out the characteristics of the invention through a non-limiting example of application.
La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent : Figure 1 (déjà citée) : une illustration de mesure de l'atténuation ultrasonore pour l'évaluation de porosité : le matériau correspondant au signal rouge a un taux de porosité supérieur à celui du signal bleu Figure 2 (également déjà citée) : une illustration de mesure du temps de 15 vol pour l'évaluation de l'épaisseur. L'épaisseur est égale à : temps de vol aller retour x vitesse / 2 Figures 3a, 3b et 3c (déjà citées) : variation de vitesse des ultrasons en fonction (a) de l'épaisseur (matériau non poreux), (b) du taux de porosité (pour une épaisseur donnée), (c) épaisseur pour différents taux de porosité 20 (P3>P2>P1) Figure 4 : une représentation schématique des éléments du dispositif utilisé dans la mise en oeuvre du procédé, Figure 5a : des courbes caractéristiques d'atténuation (dB/mm) en fonction de la fréquence pour l'ensemble des taux de porosité de la base de 25 données de référence, Figure 5b : des courbes caractéristiques de vitesse de phase (m/s) en fonction de la fréquence pour l'ensemble des taux de porosité de la base de données de référence, Figure 5c : un spectre fréquentiel de capteur, 30 Figure 6 : un schéma de principe de l'algorithme itératif d'évaluation de l'épaisseur et de mise à jour du taux de porosité. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La présente invention concerne un procédé de caractérisation conjointe d'épaisseur et de porosité d'une pièce 2 en matériau composite comportant des fibres maintenues dans une matrice, par un contrôle non-destructif par ultrasons de ladite pièce 2. The description is based on the appended figures which represent: FIG. 1 (already cited): an illustration of measurement of the ultrasonic attenuation for the evaluation of porosity: the material corresponding to the red signal has a porosity rate higher than that of the blue signal Figure 2 (also already mentioned): an illustration of measurement of the flight time for the evaluation of the thickness. The thickness is equal to: time of flight return x speed / 2 Figures 3a, 3b and 3c (already mentioned): variation of speed of the ultrasound as a function of (a) the thickness (non-porous material), (b) porosity ratio (for a given thickness), (c) thickness for different porosity levels (P3> P2> P1) Figure 4: a schematic representation of the elements of the device used in the implementation of the process, Figure 5a: attenuation characteristic curves (dB / mm) as a function of frequency for all the porosity levels of the reference data base, Figure 5b: phase velocity characteristic curves (m / s) as a function of the frequency for all the porosity levels of the reference database, FIG. 5c: a frequency spectrum of the sensor, FIG. 6: a block diagram of the iterative algorithm for evaluating the thickness and update of the porosity rate. DETAILED DESCRIPTION OF ONE EMBODIMENT OF THE INVENTION The present invention relates to a method for the joint characterization of thickness and porosity of a composite material part 2 comprising fibers held in a matrix, by a non-destructive control by ultrasound of said piece 2.
Ce procédé est destiné à être mis en oeuvre sous la forme d'un logiciel exécuté, par exemple, sur un micro-ordinateur 20 de type connu en soi, ou sur tout autre type de calculateur numérique (voir fiqure 4). Ledit micro-ordinateur comporte une interface adaptée à recevoir des informations de capteurs externes. Le micro-ordinateur 20 comporte par ailleurs des moyens 21 de mémorisation d'informations numériques, que celles-ci soient des résultats intermédiaires de calcul ou des informations numériques reçues de capteurs externes. Ces divers éléments sont connus en soi et ne sont donc pas détaillés plus avant ici. Le dispositif utilisé pour le contrôle non-destructif par ultrasons de la pièce en matériau composite 2 comporte, outre les moyens de calcul 20 et les moyens de mémorisation 21, des équipements pour l'inspection ultrasonore, notamment un transducteur ultrasonore 22 et un générateur/ récepteur 23 de signaux, généralement électriques. This method is intended to be implemented in the form of software executed, for example, on a microcomputer 20 of a type known per se, or on any other type of digital computer (see Figure 4). The microcomputer has an interface adapted to receive information from external sensors. The microcomputer 20 further comprises means 21 for storing digital information, whether these are intermediate results of calculation or digital information received from external sensors. These various elements are known per se and are therefore not detailed further here. The device used for the non-destructive ultrasonic testing of the composite material part 2 comprises, in addition to the calculation means 20 and the storage means 21, equipment for ultrasonic inspection, in particular an ultrasonic transducer 22 and a generator / receiver 23 of signals, generally electrical.
En ce qui concerne le principe utilisé dans le procédé d'estimation conjointe d'épaisseur et de porosité de matériau, l'invention WO2009130140 de la demanderesse, mentionnée ci-dessus, permet d'évaluer le taux de porosité du matériau en un point donné à partir de la valeur mesurée d'atténuation et en postulant une valeur de vitesse moyenne. With regard to the principle used in the method of joint estimation of thickness and porosity of material, the invention WO2009130140 of the applicant, mentioned above, makes it possible to evaluate the rate of porosity of the material at a given point. from the measured attenuation value and postulating a mean velocity value.
On rappelle préliminairement que, dans cette demande WO2009130140, on définit un procédé non-destructif d'évaluation d'un taux de porosité P d'une pièce 2 en matériau composite, au moyen d'au moins un transducteur ultrasonore 22, le taux de porosité P de la pièce 2 étant estimé (dans une étape 65) par une comparaison d'une valeur d'atténuation a par ladite pièce 2 d'une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore 22 avec au moins une valeur d'atténuation a' de référence d'une onde ultrasonore de chaque dit transducteur ultrasonore 22 par un échantillon de référence R' représentatif d'un taux de porosité P' connu du matériau composite dans lequel la pièce 2 est fabriquée. It is recalled that, in this application WO2009130140, a non-destructive method for evaluating a porosity level P of a composite material part 2, by means of at least one ultrasonic transducer 22, is defined. porosity P of the piece 2 being estimated (in a step 65) by a comparison of an attenuation value a by said piece 2 of an ultrasound wave emitted by each ultrasonic transducer 22 with at least one attenuation value a ' reference of an ultrasonic wave of each said ultrasonic transducer 22 by a reference sample R 'representative of a porosity level P' known composite material in which the piece 2 is manufactured.
Dans une étape préalable 64 de l'invention WO2009130140, chaque valeur d'atténuation a' de référence est calculée par comparaison : - d'une fonction d'onde Fo(f) représentative d'une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore 22, - avec le résultat d'un calcul de filtrage de la fonction d'onde Fo(f) par une fonction de transfert F'm représentative d'atténuations fréquentielles subies par des ondes ultrasonores traversant l'échantillon de référence Rnm In a prior step 64 of the invention WO2009130140, each reference attenuation value a 'is calculated by comparison of: - a wave function Fo (f) representative of an ultrasound wave emitted by each ultrasound transducer 22, with the result of a filtering calculation of the wave function Fo (f) by a transfer function F'm representative of frequency attenuations undergone by ultrasonic waves passing through the reference sample Rnm
La fonction d'onde Fo(f) est déterminée, dans une étape préalable 62 de l'invention WO2009130140, sans la pièce 2 et sans l'échantillon de référence Rnm en mesurant une onde ultrasonore émise par chaque transducteur ultrasonore 22 dans un milieu de couplage, dans des conditions voisines de celles devant être mises en oeuvre pour la pièce 2. The wave function Fo (f) is determined, in a prior step 62 of the invention WO2009130140, without the part 2 and without the reference sample Rnm by measuring an ultrasonic wave emitted by each ultrasonic transducer 22 in a medium of coupling, under conditions similar to those to be implemented for the part 2.
Dans l'étape 65 de l'invention WO2009130140, pour améliorer la précision du taux de porosité estimé, ledit taux de porosité de la pièce 2 est estimé en comparant la valeur d'atténuation a par la pièce 2, avec des valeurs d'atténuation a' de référence calculées pour au moins N échantillons de référence Rnm, N étant supérieur ou égal à deux, de niveaux de porosité P' connus différents, 1 n N, chaque échantillon de référence étant caractérisé par une fonction de transfert F'm propre. In the step 65 of the invention WO2009130140, to improve the accuracy of the estimated porosity ratio, said porosity ratio of the part 2 is estimated by comparing the attenuation value a by the part 2, with attenuation values at least N reference samples Rnm, N being greater than or equal to two, of different known P 'porosity levels, 1 n N, each reference sample being characterized by a transfer function F'm own .
Les fonctions de transfert F'm sont établies dans une étape 63 de l'invention WO2009130140, après détermination d'une épaisseur E de la pièce, et l'épaisseur em de chaque échantillon de référence R'm est proche de l'épaisseur E de la pièce 2. The transfer functions F'm are established in a step 63 of the invention WO2009130140, after determining a thickness E of the part, and the thickness em of each reference sample R'm is close to the thickness E of the room 2.
Dans l'étape 64 de l'invention WO2009130140, les valeurs d'atténuation de référence a' sont calculées, préalablement à la détermination de l'épaisseur de la pièce E, pour M échantillons de référence Rnm, par taux de porosité, d'épaisseurs différentes em (1 m M), M étant supérieur ou égal à deux. In the step 64 of the invention WO2009130140, the reference attenuation values a 'are calculated, prior to the determination of the thickness of the part E, for M reference samples Rnm, by porosity rate, of different thicknesses em (1 m M), M being greater than or equal to two.
Dans l'étape 65 de l'invention WO2009130140, le taux de porosité P estimé est égal au taux de porosité pour lequel la valeur d'atténuation de référence a' la plus proche de la valeur d'atténuation a par la pièce 2 a été calculée, éventuellement la plus proche par valeurs supérieures. In the step 65 of the invention WO2009130140, the estimated porosity rate P is equal to the porosity ratio for which the reference attenuation value has the closest to the attenuation value a by the piece 2 has been calculated, possibly the nearest by higher values.
Dans l'étape 63 de l'invention WO2009130140, la fonction de transfert Fnm d'un échantillon de référence Rnm de taux de porosité P' et d'épaisseur em est déterminée dans le domaine des fréquences en calculant pour des valeurs de fréquences fdiscrètes l'expression : Fn (f)=exp/ em \ Sn(f , ~adn AS(fl expression dans laquelle Sn(f) est une mesure d'un spectre fréquentiel d'une onde ultrasonore ayant traversé un échantillon de référence réel R' (on note ici à titre de clarification que le terme Rnm désigne dans la présente description l'échantillon Rn lorsqu'il est considéré avec une épaisseur em) d'épaisseur dn, réalisé en matériau composite de même type que celui de la pièce 2 et de taux de porosité Pn, S(f) est une mesure d'un spectre fréquentiel d'une onde ultrasonore de mêmes caractéristiques n'ayant pas traversé ledit échantillon de référence réel Rn, a et A sont des facteurs positifs qui dépendent du mode de mesure desdits spectres fréquentiels S(f) et Sn(f). In the step 63 of the invention WO2009130140, the transfer function Fnm of a reference sample Rnm of porosity ratio P 'and thickness em is determined in the frequency domain by calculating for fdiscrete frequency values l Expression: Fn (f) = exp / em \ Sn (f, ~ adn AS) in which Sn (f) is a measure of a frequency spectrum of an ultrasonic wave having passed through a real reference sample R ' (It is noted here as a clarification that the term Rnm denotes in the present description the sample Rn when it is considered with a thickness em) of thickness dn, made of composite material of the same type as that of part 2 and porosity rate Pn, S (f) is a measurement of a frequency spectrum of an ultrasonic wave of the same characteristics that has not passed through said real reference sample Rn, a and A are positive factors that depend on the mode of measuring said frequency spectra ls S (f) and Sn (f).
Le procédé, objet de la présente demande, utilise une étape 200 itérative dans laquelle, partant d'un taux de porosité P' et d'une épaisseur E' de la pièce 2 préalablement estimés (le taux de porosité P' étant par exemple mais non limitativement estimé par la méthode de l'invention WO2009130140) on réalise successivement des sous-étapes suivantes : 210 - évaluation de la vitesse moyenne / du front d'onde généré par le transducteur ultrasonore 22 utilisé sur l'épaisseur É considérée de matériau avec le taux de porosité P` précédemment évalué, 220 - nouvelle estimation de l'épaisseur É+' déduite de la mesure du temps de vol et de l'évaluation de la vitesse moyenne / calculées à l'étape 210, 230 - nouvelle estimation du taux de porosité P'+' en utilisant la nouvelle estimation de l'épaisseur É+' et la procédure d'estimation de l'étape 65 de la demande WO2009130140 (voir plus haut), 240 - calcul de la différence entre la nouvelle estimation de l'épaisseur É+' et l'estimation précédente d'épaisseur E', et de la différence entre la nouvelle estimation de taux de porosité 0+9 et l'estimation précédente de taux de porosité P`, Ces sous-étapes 210, 220, 230 étant répétées jusqu'à ce que a) la différence entre la nouvelle estimation de l'épaisseur É+' et l'estimation précédente d'épaisseur E', soit inférieure à un seuil prédéterminé, ou que b) la différence entre la nouvelle estimation de taux de porosité 0+9 et l'estimation précédente de taux de porosité P` soit inférieure à un second seuil prédéterminé. Ces deux valeurs convergent alors vers des valeurs limites de taux de porosité PL et d'épaisseur EL. The method, which is the subject of the present application, uses an iterative step 200 in which, starting from a porosity ratio P 'and a thickness E' of the part 2 previously estimated (the porosity rate P 'being for example but nonlimitingly estimated by the method of the invention WO2009130140) the following sub-steps are successively carried out: 210 - evaluation of the average speed / wavefront generated by the ultrasonic transducer 22 used on the thickness E considered of material with the porosity rate P 'previously evaluated, 220 - new estimate of the thickness E +' deduced from the measurement of the flight time and the evaluation of the average speed / calculated at step 210, 230 - new estimate of the porosity rate P '+' using the new estimate of the thickness E + 'and the estimation procedure of the step 65 of the application WO2009130140 (see above), 240 - calculation of the difference between the new estimate of the' thickness E + 'and the previous estimate of thickness E', and of the difference between the new estimate of porosity rate 0 + 9 and the previous estimate of porosity ratio P`, These substeps 210, 220, 230 being repeated until a) the difference between the new estimate of the thickness E + 'and the previous estimate of thickness E' is less than a predetermined threshold, or that b) the difference between the new porosity rate estimate 0 + 9 and the previous porosity rate estimate P` is less than a second predetermined threshold. These two values then converge towards limit values of porosity level PL and thickness EL.
Lorsque l'un ou l'autre des critères d'arrêt est vérifié dans l'étape 240, cela signifie que les valeurs d'atténuation a et de vitesse a sont physiquement cohérentes et que l'on a convergé vers la caractérisation d'un matériau « pouvant exister » (les atténuations et porosités sont stables d'une itération sur l'autre). En effet, l'atténuation aet la variation de la vitesse a de phase sont des grandeurs physiques duales. Ce sont deux manifestations ayant pour origine les mêmes phénomènes physiques, et pour lesquels la connaissance de l'un permet théoriquement de déduire l'autre. When either of the stopping criteria is checked in step 240, this means that the attenuation values a and velocity a are physically consistent and that one has converged towards the characterization of a material "may exist" (attenuations and porosities are stable from one iteration to the other). Indeed, the attenuation and the variation of the phase velocity are dual physical quantities. These are two manifestations having for origin the same physical phenomena, and for which the knowledge of one theoretically allows to deduce the other.
En particulier, la relation, connue en soi, de Kramers-Krdnig lie ces deux grandeurs (v pour vitesse moyenne du front d'onde, a pour atténuation et co=2*pi*f la fréquence) par la formule : 1 1 _ 2 a(co') dom, v(co) v(coo) n wo co On constate avec cette équation que la vitesse moyenne du front d'onde v, au même titre que l'atténuation a, est une fonction qui varie avec la fréquence co. Cette dépendance de la vitesse moyenne v du front d'onde généré par le transducteur ultrasonore 22, et de l'atténuation a à la fréquence co, est responsable de la variation de la vitesse v en fonction de l'épaisseur traversée. Ces variations de vitesse v proviennent en fait du caractère dispersif (c'est-à-dire d'une variation de la vitesse de phase v en fonction de la fréquence co) de la propagation ultrasonore dans les milieux atténuants. In particular, the relation, known per se, of Kramers-Krdnig links these two quantities (v for average wavefront velocity, has for attenuation and co = 2 * pi * f frequency) by the formula: 2 a (co ') dom, v (co) v (coo) n wo co With this equation we find that the average speed of the wavefront v, in the same way as the attenuation a, is a function that varies with the frequency co. This dependence of the average velocity v of the wavefront generated by the ultrasonic transducer 22, and the attenuation a at the frequency ,c, is responsible for the variation of the velocity v as a function of the thickness traversed. These variations in velocity v come in fact from the dispersive nature (that is to say a variation of the phase velocity v as a function of the frequency co) of the ultrasonic propagation in the attenuating media.
En pratique, le procédé de caractérisation conjointe de porosité P et d'épaisseur E d'une pièce 2 utilise, comme on l'a vu, un traitement logiciel de données d'acquisition ultrasonore. Le traitement comporte la connaissance préliminaire d'un ensemble de données : A/ Des données caractéristiques du matériau constituant la pièce 2: i. Des courbes caractéristiques de la variation de l'atténuation a' (dB/mm) en fonction de la fréquence co pour l'ensemble des taux de porosité P' de la base de données de référence (fiqure 5a). la méthode d'obtention de telles courbes est décrite dans la demande WO2009130140, déjà citée, ii. Des courbes caractéristiques de la variation de la vitesse de phase v' en fonction de la fréquence co pour l'ensemble des taux de porosité Pn de la base de données de référence (fiqure 5b), B/ Des données caractérisant le transducteur ultrasonore 22 et comportant son spectre fréquentiel (fiqure 5c). La méthode d'obtention d'un tel spectre fréquentiel (fonction d'onde Foe est décrite dans l'étape 62 de la demande WO2009130140, déjà citée. In practice, the method of joint characterization of porosity P and thickness E of a part 2 uses, as we have seen, a software processing of ultrasonic acquisition data. The processing includes the preliminary knowledge of a set of data: A / Characteristic data of the material constituting part 2: i. Characteristic curves of the variation of the attenuation a '(dB / mm) as a function of the frequency pour for the set of porosity levels P' of the reference database (Figure 5a). the method for obtaining such curves is described in application WO2009130140, already cited, ii. Characteristic curves of the variation of the phase velocity v 'as a function of the frequency co for the set of porosity levels Pn of the reference database (FIG. 5b), B / Data characterizing the ultrasonic transducer 22 and with its frequency spectrum (Figure 5c). The method for obtaining such a frequency spectrum (Foe wave function is described in step 62 of the application WO2009130140, already mentioned.
Ces données caractéristiques du matériau et du capteur 22 sont, dans le présent exemple non limitatif de mise en oeuvre du procédé, mémorisées dans les moyens de mémorisation 21 du micro-ordinateur 20 Les données d'acquisition, associées à la pièce 2 que l'on souhaite caractériser, sont constituées de : - l'amplitude d'un écho de référence de la pièce considérée, - ainsi que son temps d'arrivée (temps de vol). These characteristic data of the material and the sensor 22 are, in the present nonlimiting example of implementation of the method, stored in the storage means 21 of the microcomputer 20 The acquisition data, associated with the part 2 that the we want to characterize, consist of: - the amplitude of a reference echo of the part considered, - as well as its arrival time (flight time).
Pour obtenir ces données, la pièce en matériau composite 2 est, au moins partiellement, immergée dans un milieu de couplage 3. Le transducteur ultrasonore 22 est placé, pour l'évaluation de la porosité, de sorte à émettre des ondes ultrasonores qui ont une incidence sensiblement normale à une face avant 2a de la pièce en matériau composite, en regard dudit transducteur ultrasonore 22. Le transducteur ultrasonore 22 est utilisé en émission et en réception, et mesure des échos dus à des discontinuités d'impédances acoustiques. Un écho, dit « d'entrée », est reçu pour une interface entre la face avant 2a de la pièce 2 et le milieu de couplage 3, et un écho, dit « de fond », est en général reçu pour une interface entre ledit milieu de couplage et une face arrière 2b de ladite pièce, située du côté de la pièce opposé au transducteur ultrasonore 22. Un écho peut également être reçu pour une interface entre le milieu de couplage 3 et une plaque réfléchissante 4, par exemple en verre, qui est placée en vis-à-vis de la face arrière 2b de la pièce 2. L'inspection est alors dite par « double transmission » du fait que les ondes ultrasonores traversent deux fois la pièce 2. Il est également possible d'effectuer une inspection dite par « transmission », en utilisant un premier transducteur ultrasonore 22 pour l'émission du côté de la face avant 2a, et second un transducteur ultrasonore (non illustré sur les figures) pour la réception du côté de la face arrière 2b. Pour évaluer le taux de porosité P de la pièce 2, l'atténuation a par ladite pièce d'une onde ultrasonore émise par le transducteur ultrasonore 22 est mesurée. Par taux de porosité, il faut comprendre une valeur représentative de caractéristiques structurelles ou mécaniques de la pièce induites par la présence de bulles dans la matrice du matériau composite constituant la pièce 2. Le taux de porosité P est évalué sous la forme d'un pourcentage volumique de « vide » (c'est à dire de bulles) ou d'un niveau d'abattement de la résistance mécanique de la pièce. To obtain these data, the piece of composite material 2 is at least partially immersed in a coupling medium 3. The ultrasonic transducer 22 is placed, for the evaluation of the porosity, so as to emit ultrasonic waves which have a substantially normal incidence to a front face 2a of the composite material part, facing said ultrasonic transducer 22. The ultrasonic transducer 22 is used in transmission and reception, and measures echoes due to acoustic impedance discontinuities. An echo, called "input", is received for an interface between the front face 2a of the part 2 and the coupling medium 3, and an echo, called "background", is generally received for an interface between said coupling medium and a rear face 2b of said piece, situated on the opposite side of the ultrasonic transducer 22. An echo may also be received for an interface between the coupling medium 3 and a reflecting plate 4, for example made of glass, which is placed vis-à-vis the rear face 2b of the room 2. The inspection is then called "double transmission" because the ultrasonic waves cross twice the room 2. It is also possible to perform a so-called "transmission" inspection, using a first ultrasonic transducer 22 for transmitting the side of the front face 2a, and second an ultrasonic transducer (not shown in the figures) for receiving the side of the rear face 2b. To evaluate the porosity rate P of the part 2, the attenuation a by said part of an ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transducer 22 is measured. By porosity rate, it is necessary to understand a value representative of structural or mechanical characteristics of the part induced by the presence of bubbles in the matrix of the composite material constituting part 2. The porosity rate P is evaluated as a percentage volumic "vacuum" (ie bubbles) or a level of reduction of the mechanical strength of the room.
Le procédé de caractérisation conjointe de porosité et d'épaisseur, fournit en sortie : - L'épaisseur EL du matériau inspecté - Le taux de porosité PL du matériau inspecté, par application de l'algorithme décrit schématiquement sur la figure 6: 15 Un exemple de sorties de boucle de l'algorithme itératif, utilisé par le procédé de caractérisation conjointe, est illustré dans le tableau ci-dessous: Itération 0 Itération 1 Itération 2 Itération 3 Vitesse (m/s) 2950 2626 2613 2613 Epaisseur (mm) 11.80 10.50 10.45 10.45 Taux de Porosité (% 2.7 2.8 2.9 2.9 vol.) 20 Il est à noter que l'établissement des courbes caractéristiques de vitesse de phase v en fonction de la fréquence co, pour les taux de porosité P' faisant partie de la base de référence peut se faire soit : - par exploitation directe des mesures, par analyse spectroscopique en analysant la phase des spectres des signaux. 25 - par calcul de la vitesse de phase v en utilisant la relation de Kramers-Krdnig et une vitesse mesurée à basse fréquence. The method of joint characterization of porosity and thickness, provides at the output: the thickness EL of the inspected material the porosity rate PL of the inspected material, by application of the algorithm described schematically in FIG. 6: An example of loop outputs of the iterative algorithm, used by the joint characterization method, is shown in the table below: Iteration 0 Iteration 1 Iteration 2 Iteration 3 Speed (m / s) 2950 2626 2613 2613 Thickness (mm) 11.80 10.50 10.45 10.45 Porosity ratio (% 2.7 2.8 2.9 2.9 vol.) It should be noted that the establishment of the characteristic curves of phase velocity v as a function of the frequency co, for the porosity levels P 'forming part of the Baseline can be done either: - by direct exploitation of the measurements, by spectroscopic analysis by analyzing the phase of the spectra of the signals. By calculation of the phase velocity v using the Kramers-Krdnig relation and a low frequency measured speed.
Ce procédé s'adresse notamment aux usines de production effectuant des contrôles de la qualité de pièces en matériaux composites ou métalliques à gros grains. Il permet de réduire significativement, par exemple autour de 20/0 (et 100/0 avec une méthode utilisant le temps de vol seul) les incertitudes de mesure sur la porosité des pièces, et donc autorise une meilleure connaissance prédictive de leurs valeurs de résistance mécanique. This process is particularly applicable to production plants performing quality checks of coarse-grained composite or metal parts. It makes it possible to significantly reduce, for example around 20/0 (and 100/0 with a method using the flight time alone) the uncertainties of measurement on the porosity of the parts, and thus allows a better predictive knowledge of their resistance values. mechanical.
Variantes de réalisation La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art. On a mentionné dans la description un matériau composite, mais la présente invention s'applique plus généralement à tout matériau ayant des propriétés ultrasonores atténuantes. Embodiments The scope of the present invention is not limited to the details of the above embodiments considered by way of example, but extends instead to modifications within the scope of those skilled in the art. A composite material has been mentioned in the description, but the present invention more generally applies to any material having attenuating ultrasonic properties.
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| CN104237102A (en) * | 2014-09-22 | 2014-12-24 | 浙江大学 | Detection method for porosity of composite material based on analysis of back scattering signal |
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