Brevet FR2580816A1 — publié le 19861024

Cette Invention a pour objet la détermination du contenu spectral d'événements d'onde de choc transitoires dans des structures en forme de plaques. Il est fréquemment souhaitable de déterminer le contenu spectral d'événements d'onde de choc transitoires. L'analyse du contenu spectral résultant peut être utilisée, par exemple, pour la calibration de transducteurs d'émission acoustique à bande de fréquences large, et pour la caractérisation d'impacts sur des structures. La caractérisation d'impacts peut être très utile dans des applications de triage, dans lesquelles un certain nombre d'objets, heurtant séquentiellement une surface donnée, doit être réparti entre objets semblables et objets différents. Le contenu spectral des événements d'onde de choc transitoires incluant les 1 0 objets semblables est similaire mais n'est pas identique au contenu spectral des événements d'onde de choc transitoires incluant les objets différents. On peut déterminer le contenu spectral d'événements d'onde de choc transitoires en utilisant un enregistreur transitoire et l'analyse computationnelle (série de Fourier). Cette méthode a tendence cependant à être complexe et coûteuse. Un objet de la présente invention est un procédé et un appareil pour la détermination du contenu spectral d'événements d'onde de choc transitoires dans des structures en forme de plaques qui est caractérisé par une grande simplicité et un coût réduit par rapport à ce que l'on faisait jusqu'à présent. Selon la présente invention, un procédé pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire se produisant sur une surface d'une structure en forme de plaques ayant des surfaces opposées comprend les étapes de: disposer un transducteur sur l'une desdites surfaces, ledit transducteur étant sensible à tous les déplacements de ladite surface sur laquelle il est monté et a une sortie représentative desdits déplacements; provoquer un événement d'onde de choc transitoire sur l'une desdites surfaces en un lieu éloigné dudit transducteur, de sorte que les ondes de Lamb enrésultant et caractéristiques dudit événement d'onde de choc se propagent à travers ladite structure en forme de plaques d'une façon dispersive pour provoquer un déplacement caractéristique correspondant de ladite surface, Incluant la partie de la surface sur laquelle ledit 3 0 transducteur est monté, analyser la sortie dudit transducteur pour déterminer les caractéristiques desdites ondes de Lamb, et en déduire au moins une partie du contenu spectral dudit événement d'onde de choc transitoire. Selon une autre caractéristique de la présente invention, un appareil adapté pour la détermination d'au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire, comporte une structure en forme de plaques ayant des surfaces opposées, un transducteur disposé sur une de ces surfaces opposées, lequel transducteur est sensible à tous 2 2580816 les déplacements de la surface sur laquelle il est monté et a une sortie représentative dudit déplacement, et un moyen de traitement du signal adapté pour contrôler et pour traiter la sortie dudit transducteur, ladite structure en forme de plaques étant disposée de façon à subir l'événement d'onde de choc transitoire sur l'une desdites surfaces en une position éloignée dudit transducteur, de sorte que les ondes de Lamb en résultant et caractéristiques d'un tel événement d'onde de choc se propagent à travers ladite structure en forme de plaques d'une façon dispersive pour provoquer un déplacement caractéristique correspondant desdites surfaces incluant la partie de la surface sur laquelle le transducteur est monté, ledit moyen de traitement de signal étant adapté pour contrôler et pour traiter la sortie dudit 1 0 transducteur de façon à fournir des indications sur ces caractéristiques desdites ondes de Lamb dont au moins une partie du contenu spectral de tout événement d'onde de choc semblable pourra être déduite. L'invention va maintenantêtre décrite, au moyen d'exemples, en référence aux dessins annexés, sur lesquels; i 5 la figure 1 est un graphique indiquant la vitesse d'un groupe d'ondes de Lamb en fonction de la fréquence et del'épaisseur de la plaque; la figure 2 représente schématiquement un dispositif selon la présente invention la figure 3 représente le déplacement de surface de la surface d'une plaque détecté à une distance de 90 mm d'un événement d'onde de choc transitoire; et, la figure 4 représente le contenu spectral de l'événement d'onde de choc transitoire provoquant le déplacement de surface représenté sur la figure 3. Si une structure en forme de plaques est soumise à un événement d'onde de choc transitoire sur l'une de ses surfaces, dû par exemple à l'impact d'un objet, les onde de choc résultantes se propagent à travers cette structure sous forme d'ondes de Lamb. Les ondes de Lamb (ou ondes de plaques, comme on les nomme parfois) sont caractérisées par une activité ondulatoire en travers des surfaces opposées de la structure en forme de plaques. L'activité ondulatoire en travers des surfaces opposées est telle que les ondes sont, soit en phase, soit déphasées. Celles-ci sont connues pour être antisymétriques ou symétriques. En outre, une famille de modes d'ondes de Lamb symétriques ou antisymétriques est possible à la suite d'un événement d'onde de choc transitoire, comme on peut le voir sur la figure 1. La figure 1 représente la vitesse de groupes d'ondes de Lamb à l'intérieur d'une structure en forme de plaques en fonction de la fréquence et de l'épaisseur de la plaque, les ondes désignées par so, sl, s2 étant symétriques, et les ondes désignées par ao, ai, a2 étant antisymétriques. La figure 1 illustre également une autre propriété importante des ondes de Lamb, qui est leur dispersivité. De la sorte, la vitesse de la propagation des ondes de Lamb dépend de la fréquence des ondes. 3 2 5 8 0 8 1 6 C'est la nature dispersive des ondes de Lamb qui est utilisée dans le procédé et dans l'appareil selon la présente invention. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, on compte sur la dispersion des ondes de Lamb pour séparer les composantes de fréquences variées qui sont contenues dans une onde de choc transitoire localisée. Sur la figure 2, le dispositif selon la présente Invention est indiqué par le chiffre 10 Le dispositif 10 comprend une plaque 1 1 faite d'un alliage à base de nickel connu sous le nom de Nimonic 75 comportant un transducteur piezo-électrique 12, assujetti à sa surface supérieure. Le transducteur piezo-électrique 12 est sensible à une large bande de fréquences et est prévu pour fournir une sortie électrique caractéristique de tous les déplacements de la 1 0 surface de la plaque 11 à un amplificateur de charge 13. La sortie de l'amplificateur de charge 13 est reliée à un lecteur d'enveloppe 14, dont la sortie est reliée à son tour à un amplificateur logarithmique 15. La sortie de l'amplificateur logarithmique 15 est dirigée vers une unité d'interrogation et de mémoire 16, et de là, vers une unité d'affichage 17 appropriée, la sortie de l'unité d'interrogation et de mémoire étant commandée par un 1 5 générateur d'impulsions 18. Le dispositif 10 est utilisê pour la détermination du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire se produisant à l'endroit de la plaque I I o se trouve le transducteur 12, mais ayant son origine en un point 19 qui est éloigné du transducteur 12. L'événement transitoire particulier choisi pour explorer les caractéristiques de 8la présente invention a été la rupture de mines de crayon sur la plaque 1I1 au point 19. Il va de soi cependant que d'autres événements transitoires tels qu'impacts, fonctions de déclanchement discontinues ou expansions thermiques rapides localisés auraient pu être utilisés. Il va de soi également que, puisque les ondes de Lamb provoquent un déplacement caractéristique à la fois sur la surface supérieure et la surface inférieure de la plaque 1 1, le transducteur aurait pu être disposé sur la surface inférieure. En vue de simplifier l'interprétation des formes d'onde résultant de l'événement d'onde de choc transitoire localisé au point 19, nous préférons faire en sorte que la propagation des ondes soit, de façon prédominante, dans un seulement des modes de Lamb, et que la vitesse de groupe ne passe ni par un maximum ni par un minimum. Cela peut être obtenu si l'on 3 0 s'assure que la plaque 1 1 a une épaisseur constante, laquelle est sélectionnée de façon que la formule suivante soit vérifiée: d f = fréquence maximale dans la largeur de bande étudiée. 4 2580816 Dans ces conditions, le mode antisymétrique d'ordre inférieur (ad) prédomine, et la vitesse de la propagation-augmente d'une façon non linéaire avec la fréquence. Ainsi, lorsque l'évnement d'onde de choc transitoire localisé est engendré par la rupture de la mine d'un creyo au point 19, les composantes de fréquence variées associées à cet événement se séparent physiquement en travers de la plaque 1 1, comme elles se propagent en tant qu'ondes deLaw. Le déplacement de surface résultant détecté par le transducteur 12 est transformé par-ce-dernier en une caractéristique de sortie électrique dudit déplacement, dont sont tirées les composantes de fréquences de l'événement d'onde de choc transitoire, comme on peut le voir sur-la figure 3. 1 0 Le spectre représenté sur la figure 4 a été obtenu par la simple analyse des amplitudes et des périodes des oscillations dans la forme d'onde représentée sur la figure 3. L'échelle des amplitudes de la figure 4 est logarithmique, et-l'on-notera que la pente négative du spectre,: approximativement linéaire à 20 dB par décade, indique une dépendance de 1 /f. Cela confirme le procédé selon la présente invention comme procédé effectif de détermination du contenu i 5 spectral, puisqu'il est bien connu qu'une fonction discontinue (telle que laç upture de la mine d'un trayon) a un contenu spectral avec une dépendance de 1 /f. L'analyse de la sortie du transducteur 12 mentionné ci-dessus est relativement sommaire et il est par conséquent souhaitable de mettre en place des moyens de traitement de la sortie plus efficaces. Ce résultat est atteint par un conditionnement approprié de la sortie du transducteur 12 au moyen de l'amplificateur de charge 13, du lecteur d'enveloppe 14 et de l'amplificateur logarithmique 15. Le signal conditionné passe'alors dans l'unité d'interrogation et de mémoire 16 dent la sortie est, comme il a été mentionné plus haut, commandée par le générateur d'impulsions 18. Le fonctionnement du générateur d'impulsions 18 est déclenché par un signal, par l'intermédiaire de la ligne 19, àparttr d'un détecteur- approprié (non représenté> disposé contra la source de l'événement d'onde de choc transitoire au moment o se produit l'événement de l'onde de choc transitoire. Le générateur d'lmpulsions commande alorsà l'unité d'lnterrogation-et de mémoire 1-6de laisser passer un signal à l'unité d'affichage 17 à des périodes de temps discrètes correspondant au passage des composantes de fréquence de l'événement d'onde de choc transitoire passant dans le transducteur 12. De la sorte, comme 11 a été mentionné plus haut, les composantes de fréquence variées de l'événement d'onde de choc transitoire se propagent en tant qu'endes de Lamb à travers la plaque 1 à différentes allures. Par conséquent, la composante de fréquence de la forme d'onde qui est interceptée par le transducteur 12 en tout point est déterminée par la durée totale de propagation, puisque oela peut être rapporté à la fréquence utilisant la solution théorique représentée graphiqueinent sur la figure 1 et utilisant la relation vitesse = distance/temps. 2580816 L'unité 17 peut ainsi fournir l'affichage du contenu spectral total de l'événement d'onde de choc transitoire si on le souhaite. Cela pourrait être utile pour la calibration d'un transducteur 12 nouveau utilisant un événement d'onde de choc transitoire connu. Il peut être souhaitable cependant, dans d'autres circonstances, de ne recueillir que les parties du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire qui sont connues comme étant caractéristiques de cet événement. Cela pourrait être utile, par exemple, pour le tri des composantes. Une succession de composantes serait envoyée, dans des conditions Identiques, au même endroit de la plaque 11. Si l'une de ces composantes, par exemple, était pour avoir une dureté différente de celle des autres, elle provoquerait un événement d'onde de choc 1 0 transitoire ayant un contenu spectral différent de celui qui est caractéristique des autres composantes. Il va de sol cependant que d'autres caractéristiques de composantes différentes pourraient être utilisées si on le désirait. Par exemple, on peut faire mention du Module de Young, du coefficient de Poisson, du rayon au point d'impact, de la vitesse et de la masse. Cela pourrait être accentué par l'affichage sur l'unité 17, qui donnerait ainsi une indication sur la 1 5 présente d'une composante non standard. Il apparaît donc que le procédé et le dispositif selon la présente invention fournissent un moyen simple et bon marché pour déduire le contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire. 6 2580816 REVENDICATION$ 1. Procéde pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire se produisant sur une surface d'une structure en forme de plaques ayant des surfaces opposées, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: disposer un transducteur ( 12) sur l'une desdites surfaces, ledit transducteur (12) étant sensible à tous les déplacements de ladite surface sur laquelle il est monté et a une sortie représentative desdits déplacements; provoquer un événement d'onde de choc transitoire sur l'une desdites surfaces en un lieu éloigné dudit transducteur (12), de sorte que les ondes de Lamb en résultant et 1 0 caractéristiques dudit événement d'onde de choc se propagent à travers ladite structure en forme de plaques ( 1 1) d'une façon dispersive pour provoquer un déplacement caractéristique correspondant de ladite surface, incluant la partie de la surface sur laquelle ledit transducteur est monté; analyser la sortie dudit transducteur (12) pour déterminer les caractéristiques 1 5 desdites ondes de Lamb, et en déduire au moins une partie du contenu spectral dudit événement d'onde de choc transitoire. 2. Procédé pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces opposées de ladite structure en forme de plaques ( 1) sont parallèles. 3. Procédé pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire selon la revendication 2, caractérisé en ce que d f = fréquence maximale dans la largeur de bande étudiée. 4. Procdé pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'analyse de la sortie dudit transducteur (12) et de la dérivation de ladite partie du contenu spectral dudit événement d'onde de choc transitoire comporte les étapes de conditionner de façon appropriée ladite sortie du transducteur (12) et ensuite de recueillir et d'afficher ladite sortie à des Intervalles de temps discrets à partir de l'occurrence dudit événement d'onde de choc transitoire en accord avec la vitesse de propagation des composantes de fréquences dudit événement d'onde de choc transitoire à travers ladite structure en forme de plaques ( I 1). 5. Procédé pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie dudit 7 2580816 transducteur (12) est conditionnée de façon appropriée par un amplificateur de charge ( 1 3), un lecteur d'enveloppe ( 14) et un amplificateur logarithmique ( 1 5). 6: Apparell adapté pour déterminer au moins une partie du contenu spectral d'un événement d'onde de choc transitoire, caractérisé en ce qu'il comporte une structure en forme de plaques ( 1 1) ayant des surfaces opposées, un transducteur (12) disposé sur une de ces surfaces opposées, lequel transducteur (12) est sensible à tous les déplacements de la surface sur laquelle il est monté et a une sortie représentative dudit déplacement, et un moyen de traitement du signal ( 13, 14, 15) adapté pour contrôler et pour traiter la sortie dudit transducteur ( 12), ladite structure en forme de plaques ( 1) étant disposée de façon à 1 0 subir l'événement d'onde de choc transitoire sur l'une desdites surfaces en une position éloignée dudit transducteur (12), de sorte que les ondes de Lamb en résultant et caractéristiques d'un tel événement d'onde de choc se propagent à travers ladite structure en forme de plaques ( 1 1) d'une façon dispersive pour provoquer un déplacement caractéristique correspondant desdites surfaces incluant la partie de la surface sur laquelle le transducteur 1 5 (12) est monté, ledit moyen de traitement du signal (13, 14, 15, 16, 18) étant adapté pour contrôler et pour traiter la sortie dudit transducteur ( 12) de façon à fournir des indications sur ces caractéristiques desdites ondes de Lamb dont au moins une partie du contenu spectral de tout événement d'onde de choc semblable pourra être déduite.