Brevet FR2344824A1 — publié le 19771014

L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de surveillance de structures naturelles ou artificielles, telles que des falaises, des carrières ou des ouvrages d'art, en vue de prévoir leur éboulement ou leur rupture avec une avance suffisante pour permettre de prendre les dispositions de sauvegarde nécessai- res et notamment llévacuation d'habitants ou de travailleurs. On sait qu'un élément de matériau rigide est la source, chaque fois qu'apparatt en son sein une fissure ou une microfissure due à des contraintes provoquées par des sollicitations endogènes ou exogènes, de brefs trains d'ondes acoustiques d'allure impulsionnelle. Ce phénomène, connu sous le nom d'émission acoustique, ou plus précisément d'émission d'ondes acoustiques de contraintes, est la conséquence d'oscillations mécaniques de relaxation engendrées par la libération sous l'effet de changements rapides et irréversibles de la macrostructure ou de la microstructure d'au moins une zone deltélément d'une fraction de l' & ergie mécanique accumulée dans le matériau.L'analyse des ondes acoustiques de contrainte est donc en principe 'm moyen puissant d'étude du comportement de matériaux sollicitées mécaniquement, qutil s'agisse d'alliages mécaniques, de polymères renforcés ou de matériaux de construction à base de minéraux, puisqutelle doit permettre, sinon de localiser, au moins de déceler l'apparition de solutions-de continuité telles que les criques, les fissures, les microfissures, etc ... au moment même de leur naissance. Cependant, pour des motifs que l'on évoquera dans la suite de la présente description, les études déJà entreprises ne semblent pas avoir encore permis de définir des procédées et des dispositifs de surveillance qui donnent satisfaction. L'un des objets de l'invention est un procédé de surveillance de sites ou d'ouvrages d'art par détection et analyse des ondes de contraintes qui donne des résultats fiables qui puissent être interprétés sans équivoque. L'autre objet de l'invention est un dispositif permettant d'ef becter ladite surveillance en mettant en oeuvre des moyens efficaces et relativement économiques. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes : a) transformation des impulsions acoustiques naissant dans au moins un des éléments de la structure en signaux électriques impulsionnels b) filtrage desdits signaux pour transmettre les seules cenioinites- impulsionnelles desdits signaux occupant une bande de fréquences ; c) transformation desdites composantes impulsioatelles ea croaux de niveau fonction du niveau moyen des composantes correspondantes; d) transmission des seuls créneaux de niveau supérieur à un seuil prédéterminé de niveau e) comptage périodique des créneaux transmis pour en déterminer la cadence f) enregistrement des résultats de comptage et/ou dec'lenchemeat d'un signal d'alarme lorsque la cadence dépasse un seuil de valeur prédéterminée. Quant au dispositif de l'invention, il est caractErisé en ce qu'il comporte t a) un transducteur acousto-électrique muni de moyens pour le rendre mécaniquement solidaire d'un élément de la structure à surveiller, ledit transducteur étant de préférence un capteur accélérométrique; b) un filtre passe-bande connecte en sortie du transducteur c) un détecteur de niveau moyen, par exemple un détecteur quadratique, connecte en sortie du filtre ; d) un comparateur de niveaux connecté en sortie du détecteur et délivrant un signal de sortie chaque fois qu'il reçoit un signal de détection de niveau supérieur à un seuil de niveau prédéterminé ; e) des moyens de comptage connectés en sortie du cofflparateur pottr effectuer le compte des signaux délivrés par le comparateur à ltexpiration de chacune des périodes de comptage à cadence de récurrence prédéterminée. Le dispositif de l'invention comporte en outre des moyens pour afficher ou mieux enregistrer les résultats de chaque comptage, ainsi que des moyens d'alarme déclenchés lorsqu'un résultat de comptage dépasse un seuil de valeur numérique prédéterminée. Il comporte évidemment aussi les étages d'adaptation ou d'amplifica- tion nécessités par les caractéristiques des composants ci-dessus spécifiés. D'autres dispositifs et avantages de l'invention apparattront dans les commentaires qui suivent ainsi que dans les exemples de réalisation et d'application qui seront donnés en référence aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 est un schma-bloc d'un exemple de réalisation du dispositif de l'invention - la figure 2 est un schéma d'un exemple d'application. On a déjà entrepris leude des microbruits dus aux ondes de contraintes au moyen de transducteurs accélerométriques solidaires d'Qchantillons de matériaux sollicités mécnniquement. Mais les mesures ont été faites avec des bandes passantes très larges et à limite supérieure de fréquence très élevée, par exemple comprises entre 100 kilohertz et 4 megahertz. Ltimpédance acoustique croissant avec la fréquence, les composantes à haute fréquence des microbruits deviennent indiscernables lorsque la distance entre l'origine des ondes de contrainte et le transducteur devient un tant soit peu importante.Aussi les études précitées, bien qu'elles aient permis de mettre en évidence, dans les instants précédant la rupture, l'existence d'une phase dite de prérupture caractérisée par une augmentation de niveau des signaux impulsionnels de microbruits et une accéleratzon de leur cadence, n'étaient-elles guère exploitables pour définir des procédés et des dispositifs efficaces de surveillance de structures. L'invention a été mise au point à la suite de mesures portant non seulement sur le niveau et la cadence des microbruits mais aussi sur leur composition spectrale. Les inventours ont par exemple soumis des échantillons de divers matériaux à des sollicitations de compression uniaxiale sous une charge croissant à vitesse lente et uniforme jusqu'à rupture en utilisant une channe de mesure de microbruits comportant un capteur accélérométrique, un amplificateur à grand gain et faible bruit, un analyseur de fréquence par tiers d'octaves, un enregistreur de niveau de bruit à réponse logarithmique, un compteur numérique d' impulsions et un enregistreur magnétique à modulation de fréquence. Les inventeurs ont pu faire ainsi deux constaktions; la première est que l'on peut distinguer dans la réponse aux sollicitations d'une roche ou d'un matériau de construction non pas deux mais quatre phases successives au fur et à mesure que croit la charge, à savoir a) une phase de serrage ou de tassement, au cours de laquelle ltobturation de lacunes ou microlacunes pré-existantes se manifeste par des impulsions de bruit dont l'amplitude, relativement grande au début de la charge, décrott progressivement lorsque celle-ci augmente b) une phase de microfissuration, caractérisée par l'émission d'impulsions acoustiques très brèves et de faible amplitude se succédant tantôt de façon aléatoire, tantat par salves ou rafales séparées par des intervalles de silence c) une phase de macrofissuration, au cours de laquelle le niveau des impulsions de bruit est sensiblement plus élevé que lors de la phase précédente d) enfin, une phase de prérupture caractérisée par ltémission d'impulsions de bruit d'amplitude encore plus élevée et à cadence très sensiblement plus rapide. Pour un matériau déterminé, ces phases stinsèrent entre des valeurs de coefficient de charge assez nettement spécifiées. On appelle ici coefficient de charge le rapport x de la charge effective à la charge de rupture. C'est ainsi que, pour certaines variétés de granit ou de calcaire on peut établir la correspondance suivante - serrage : x compris entre 0,11 et 0,22 - microfissuration : début vers x = i,20 à 0,25 - macrofissuration : x compris entre o,66 et 0,75 - prérupture : x compris entre 0,84 et 0,98 La deuxième constat ion faite var les inventeurs est que, pour un matériau déterminé, le spectre d'intensité des fréquences constitutives des impulsions acoustiques de contraintes montre un maximum accusé contenu dtns une bande de fréquences relativement étroite et correspondant à un maximum dans la répartition spectrale de l'énergie acoustique se traduisant à la fois par une augmentation du niveau des impulsions et un accroiasapent de leur cadence. On donne ci-après quelques exemples pour illustrer ces constatations. Ils concernent les résultats d'essais de compression uniaxiale poursuivis jusqu'à rupture avec une montée en contrainte à vitesse uniforme de 1 bar toutes les 11 secondes : - pour un béton de construction de type CLCPC on constate, dans la bande de fréquences de 20 à 60 kHzt dans 1' intervale de montée en contrainte de 1 bar précédant le seuil de la phase de prérupture (x=0,81) l'émission de 590 impulsions (soit une cadence moyenne de 54 impulsions par seconde) et dans l'intervalle de 1 bar suivant ledit seuil, l'émission de 1.700 impulsions (155 par seconde);; - pour un béton de construction du type LCPC, les valeurs correspondantes sont, avant passage du seuil (x=0,83), 1153 impulsions (105 par seconde) et après passage du seuil, 3867 impulsions (352 par seconde); - pour un granit, l'histogramme du nombre dtimpulsions par tiers d'octaves, s'étendant dans un domaine de fréquences de 31 Hz à 16 Miz, montre une densité énergétique maximale pour les fréquences voisines de 2kHz. On voit ainsi qutil est possible de prévoir le périssement d'une roche ou d'un matériau de construction par la mesure de la cadence des composantes des impulsions acoustiques dans une bande fréquentielle caractéristique du matériau et située dans le domaine des basses fréquences. Des mesures d'émissions acoustiques faites après des tirs de carrière ont montré en g4ral deux phases, la première très active correspondant aux remaniements du massif, et la deuxième à sa restabilisation. Mais au cours de ces essais, on a constaté après un tir la manifestation dune troisième phase de quatre minutes rappelant par l'instabilité, l'amplitude et la cadence des impulsions la phase de prérupture définie ci-dessus et à l'issue de laquelle s'est produit un éboulement. L'invention peut donc stappliquer à la surveillance de sites naturels. On aborde maintenant, en se référant à la figure 1, la description d'un exemple de réalisation d'un matériel dressai conforme à l'invention. Le transducteur 1 est un capteur accélérométrique piézoélectrique dont la bande passante va de 2 Hz à 50 kEz. Sa sensibilité est de 3 mV/g. Il est solidaire de l'élément S de la structure à surveiller et parfaitement isolé, par des moyens connus, des parasites acoustiques ou électriques d'origine magnétique, électrique ou mécanique. Selon les cas d'utilisation, sa face active peut titre collée à l'élément S au moyen d'un adhésif très rigide, tel qu'une résine époxyde, ou encore il peut Titre inséré dans un forage ménagé dans l'élément S et noyé dans l'époxyde. Le transducteur 1 est connecté à l'entrée d'un amplificateur basse fréquence 2 à large bande passante (50 Hz à 300 kHZ), à grand gain (80 dB) et à faible bruit. Les signaux de sortie de l'amplificateur 2 sont transmis à un filtre passe-bande 3 dont la fréquence médiane de transmission et la largeur de bande sont fonctions des conditions d'utilisation. Selon les cas, la largeur de bande sera par exemple de un tiers d'octave ou d'une octave. On peut d'ailleurs, dans un dispositif d'étude, utiliser plusieurs filtres commutables, par exemple douze filtres d'octave occupant le domaine de fréquences de 25 Hz à 60 Idlz. Les composantes impulsionnelles transmises par le filtre 3 sont adressées à l'entrée d'un détecteur quadratique 4 du genre connu, dont le rôle est de transformer les signaux impulsionnels qui reçoit en créneaux dont le niveau de chacun est proportionnel au niveau moyen du signal impulsionnel correspondant. La sortie du détecteur 4 est connectée à l'entrée "plus" 51 d'un comparateur de niveaux 5 dont l'entrée "moins" 52 est portée à une tension réglable de référence délivrée par une source 53 de tension constante U1 par l'intermédiaire d'un diviseur de tension à résistance réglable 54 et résistance fixe 55.Ainsi, chaque fois que le comparateur 5 reçoit du détecteur 4 un créneau dont le niveau est supériar à un seuil jugé significatif pour le matériau de l'élément S, il délivre en sortie un créneau de niveau constant. Sa sortie 56 est connectée à l'entrée de comptage 61 d'un compteur numérique 6. Un circuit de commandé 71, synchronisé par une horloge 72 elle-mEme synchronisée par une base de temps 73, qui peut dtre le secteur de distribution de courant alternatif ou une pendule de distribution de l'heure, assure à intervalles constants, par exemple de trois minutes, la remise à zéro du compteur 6 par l'entrée 62 de celui-ci. La sortie 63 dudit compteur est connectée à l'entrée 81 d'une imprimante 8 dont l'entrée de commande 82 re çoit du circuit 71, préalablement à chaque remise à zéro du compteur 6, un signal de commande de fonctionnement. L'imprimante 8 affiche donc à l'issue de chaque période de trois minutes le compte des impulsions transmises par le comparateur 5 au compteur 6.Elle peut en outre comporter des circuits de mémorisation et de totalisation lui permettant d'aEficher, sur signal de commande délivré par le circuit 71 à une entrée 83, le total du nombre d'impulsions qui ont été transmises à son entrée 81 pendant vingt périodes successives de trois minutes, c'est-à-dire pendant une heure. Ce décompte supplémentaire facilite la surveillance à long terme de la structure. La sortie 63 du compteur 6 est en outre connectée à entrée "plus" 91 d'un comparateur de niveaux 9 dont l'entrée "moins" 92 est portée à une tension de référence réglable délivrée par une source 93 de tension constante 42 par l'intermédiaire d'un diviseur de tension à résistance réglable 94 et résistance fixe 95. La sortie du comparateur 9 est connectée à l'entrée d'un dispositif d'alarme 10 commandant l'émission de signaux lumineux ou sonores. L'alarme est donc donnée lorsque le nombre d'impulsions comptées par le compteur 6 à l'expiration d'une période de comptage est supérieur à une valeur fizée par le réglage de la résistance 94. Le compteur 6, le comparateur 9, le circuit de commande 71 et l'horloge 72 peuvent Qtre intégrés dans un même ensemble de circuits. Le dispositif décrit ci-dessus est un matériel d'étude. Un matériel opérationnel adapté à la surveillance d'un site ou d'un ouvrage déterminé peut comporter des composants moins élaborés et partant moins comateux. Les bandes passantes du capteur 1 et de l'amplificateur 2 peuvent Qtre en effet considérablement réduites et centrées sur la fréquence caractéristique choisie pour la surveillance et qui est la fréquence médiane de travail d'un unique filtre 3. On peut alors multiplier le nombre des channes de mesure ou seulement le nombre de certains composants. La figure 2 est un schéma d'un exemple d'application. Elle représente une section transversale 2a et une section moyenne longitudinale 2b d'un tunnel. Des capteurs 1 identiques à celui de la figure 1 sont fizés ou insérés à intervalles réguliers (par exemple dix mètres) le long du parement de l'un des reins R du tunnel. Chaque capteur peut être connecté à une channe de mesure indépendante conforme à la figure 1 par une liaison coaxiale 1 1 qui peut, Si besoin en est, comporter un préamplificateur que l'on n'a pas représenté. Mais les différentes liaisons 11 peuvent aussi être connectées à une même chatne de mesure, plus précisément à l'amplificateur 2 de la figure 1, par l'intermédiaire d'un commutateur 12 commandé par le circuit 71. L'alarme peut ainsi être donnée lorsque la cadence des signaux délivrés par l'un des capteurs 1 dépasse le seuil fixé. REVENDICATIONS 1. Procédé de surveillance de structures naturelles ou artificielles telles que des sites ou des ouvrages d'art par détection des impulsions acoustiques de contraintes captées sur ou dans au moins un élément de structure, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes a) transformation des impulsions acoustiques en signaux électriques impulsionnels b) filtrage desdits signaux pour en transmettre les seules composantes impulsionnelles occupant une bande déterminée de fréquences; c) transformation desdites composantes en créneaux de niveau croissant avec le niveau moyen des composantes correspondantes d) transmission des seuls créneaux de niveau supérieur à un seuil prédéterminé de niveau; e) comptage périodique des créneaux transmis pour en déterminer la cadence. 2. Dispositif de surieillance de structures naturelles ou artificielles telles que des sites ou des ouvrages d'art, par détection des impulsions acoustiques de contraintes captées sur ou dans au moins un élément de structure, caractérisé en ce qutil comporte a) un transducteur acousto-électrique muni de moyens pour le rendre solidaire de l'élément de structure b) un filtre passe-bande connecté en sortie du transducteur c) un détecteur de niveau moyen des composantes impulsionnelles transmises par le filtre d) un comparateur de niveau connecté en sortie du détecteur et délivrant un signal de sortie chaque fois que le détecteur délivre un signal de niveau supérieUr à un seuil de niveau prédéterminé;; e) des moyens de comptage connectés en sortie du comparateur pour effectuer le compte des signaux délivrés par ledit comparatour à l'expiration de chacune des périodes de comptage à fréquence de récurrence prédéterminée. 3. Dispositif de surveillance selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'enregistrement des résultats de comptage. 4. Dispositif de surveillance selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour déclencher un signal d'alarme lorsque le compte dépasse à l'issue d'une période de comptage un seuil de valeur prédéterminée. 5. Installation de surveillance de sites ou d'ouvrages d'art, caractérisésen ce quelle comporte au moins un dispositif de surveillance selon 1'une quelconque des revendications 1 à 3. 6. Installation de surveillance selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une multiplicité de transducteurs connectés en parallèle à un commutateur dont la sortie est connectée à l'entrée du filtre passe-bande.