Brevet FR2579762A1 — publié le 19861003

La présente invention concerne la transduction d'ultrasons et plus précisément un procédé et un dispo- sitif d'examen non destructif à distance par ultrasons et sans contact, d'objets afin que les défauts et discon- tinuités acoustiques tels que les interfaces solides-gaz et liquides-solides soient détectés. L'examen radiographique d'objets tels que les réacteurs et moteurs-fusées réutilisables, destiné à déterminer la présence de fissures ou d'autres défauts, présente des inconvénients, par exemple un coût élevé, une grande complexité, un danger sanitaire, et l'impossibilité de la détection des séparations et défauts de liaison perpendiculaires au faisceau. L'examen non -!structif peut aussi être réalisé par induction d'une onde ultrasonore dans l'objet à l'aide d'un transducteur piézoélectrique, et par analyse de l'onde après son pas- sage à travers l'objet. Cependant, le transducteur ultra- sonore doit être maintenu contre l'échantillon éprouvé à l'aide de composés de mouillage ou de graissage, si bien que l'objet et le transducteur doivent être nettoyés après l'analyse. La main d'oeuvre, le temps et le coût nécessaires à l'opération sont donc élevés, et il reste parfois un résidu indésirable. En outre, l'appareil doit être démonté lorsqu'un élément interne tel qu'une ailette ou une roue, doit être vérifié. D'autres types d'examens de défauts nécessitent la découpe et l'examen de l'objet si bien que celui-ci est détruit et ne peut plus être utilisé. L'invention concerne l'examen d'objets permettant la détermination des défauts par des essais non destructifs. Elle concerne l'examen acoustique d'objets à l'aide d'ondes ultrasonores qui ne sont pas induites dans l'objet par un transducteur qui lui est fixé mécani- quement. Elle concerne ausi l'élimination du mouillage ou du graissage de l'objet et/ou du transducteur au cours des examens ultrasonores d'objets. Elle concerne aussi un câble souple destiné à être introduit par des lumières d'un moteur et permettant un essai non destructif sans démontage du moteur. Plus précisément, l'invention concerne l'induction de la formation d'ondes ultrasonores dans un objet analysé par création de zones de contrainte qui lancent de l'énergie ultrasonore à travers l'objet. La contrainte est produite par des impulsions laser intenses et de préférence par des impulsions laser d'un arrangement formant un faisceau dans lequel les éléments de propagation du faisceau sont séparés par une distance égale à la longueur d'onde acous- tique. La fréquence d'impulsions du laser est égale à la fréquence de l'onde acoustique. L'onde ultrasonore, après avoir traversé une partie ou la totalité de l'objet ou après avoir été réflé- chie par l'objet, est extraite de l'objet à l'aide d'un dispositif de dérivation électro-optique qui n'est pas en contact physique avec l'objet. Ainsi, les dispositifs d'induction et d'extraction ne nécessitent pas de contact avec l'objet ni une destruction de celui-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme synoptique d'un mode de réalisation d'appareil selon l'invention; la figure 2 représente schématiquement un faisceau de fibres optiques ainsi que leur espacement; la figure 3 est un schéma d'un appareil de détec- tion des ondes ultrasonores créées dans l'objet; la figure 4 est une coupe d'un faisceau de fibres qui peut être utilisé à la fois pour la propagation et pour la réception de faisceaux laser; et la figure 5 représente schématiquement un appareil de détection de défauts ayant un seul cable à fibres optiques enfilé dans un trou formé dans le carter d'un moteur afin qu'une ailette de turbine puisse être examinée à l'intérieur du carter. Sur les diverses figures, les références identiques désignent des éléments analogues, les références suivies du signe ' désignant des éléments équivalents. La figure 1 montre comment une onde ultrasonore 8 peut être induite afin qu'elle se propage dans un objet 16 par exemple une ailette de turbine d'un réacteur. Le chauffage localisé induit dans l'objet 16 par les impulsions laser intenses crée des ondes thermo-élastiques par interactions photon-phonon. L'onde ultrasonore 18 peut être induite par choc direct d'un seul faisceau laser pulsé 12 provenant d'une source laser distante ou de préférence d'une série de faisceaux laser paral- lèles et distants. Ainsi, la figure 1 représente plusieurs :;il' oirs partiellement réfléchissant et partiellement J transparents 14... 14n disposés afin qu'ils forment plu- sieurs faisceaux parallèles 13... 13n à partir d'un faisceau intense 12 reçu d'une source laser pulsée 10. Les miroirs 14... 14n sont séparés les uns des autres par une distance (d) qui est égale de préférence à la longueur d'onde (Xa) de l'onde ultrasonore 18 induite dans l'objet 16, c'est-à-dire d = S. Cet espacement permet aux faisceaux 13 de chacun des miroirs successifs 14 de ren- forcer l'onde ultrasonore 18 ou, en d'autres termes, de maintenir celleci à une amplitude constante. Ceci peut être réalisé par maintien de l'intensité de chaque faisceau 13... 13n à une valeur égale à celle des autres faisceaux. Le nombre optimal de miroirs 14 est d'environ à 10 bien qu'on puisse en utiliser évidemment un nombre plus faible ou plus élevé. Il apparaît que, aux fréquences ultrasonores, X a une valeur très faible. si bien que la hauteur totale (verticalement sur la figure 1) de l'arrangement est très faible par rapport à la dimension de l'objet, par exemple d'une longueur de 12 microns. Un second type avantageux de source de faisceaux laser parallèles est un faisceau 32 de fibres optiques qui sont séparées les unes des autres par une distance (d) (voir figure 2). Dans ce cas, les faisceaux de sortie de toutes les fibres 21 ont uns même énergie. Le diamètre du faisceau 32 peut être de l'ordre de 3,2 à 6,4 mm. Les ondes ultrasonores 18 sont extraites de l'objet 16 par un dispositif convenable de détection, indiqué de façon générale par un dispositif 34 de détec- tion d'ondes ultrasonores. Un dispositif avantageux sans contact est représenté sur la figure 3. Les ondes ultrasonores 18 peuvent être détectées par direction d'un second faisceau laser, de préférence continu plutôt que pulsé, provenant d'une source laser 20, par une fibre optique 22 ou un groupe de fibres 22 sur l'objet 16. Le second faisceau laser 23 est de préférence n aligné sur les premiers faisceaux 13... 13n, lorsqu'il :e trouve de part et d'autre de l'objet 16 comme indiqué sur la figure 1, ou il vise le même point que les faisceaux du premier laser pulsé 10 lorsque les deux faisceaux se trouvent du même côté de l'objet comme indiqué sur la figure 3. Dans les deux modes, les faisceaux laser peuvent ne pas coïncider dans une certaine mesure, bien que le procédé préféré mette en oeuvre des faisceaux coincidant. Le faisceau réfléchi 24 est un faisceau modulé, c'est-à- dire que la fréquence Fo du laser 20 est modulée par la fréquence Fa de l'onde ultrasonore 18 et contient une fréquence Fo + Fa. Le faisceau optique réfléchi 24 peut être reçu par un faisceau 42 de fibres optiques et transmis à un dispositif optique 26 de battement qui sépare la fréquence Fo du laser et transmet un faisceau 28 ayant la fréquence ultrasonore Fa à un détecteur optique 30. Ce dernier peut être un photodétecteur indiquant par exemple l'amplitude du faisceau à la fréquence ultra- sonore. Les optiques à fibres utilisées peuvent être constituées par un faisceau 32 de fibres comme indiqué sur la figure 5, dans lequel une ou plusieurs fibres centrales 22 et 25 sont utilisées pour la propagation du faisceau laser générateur de l'onde acoustique et pour la réception du faisceau laser de détection, et un groupe de fibres 21, séparées les unes des autres par une distance égale à À/2, entourent les fibres 22 et 25 de détection et sont utilisées pour la propagation du faisceau laser qui crée l'onde ultrasonore. La figure 5 montre comment un câble 32 d'une optique à fibres assure la connexion entre les lasers 10 et 20 et l'appareil de détection. Le câble 32 peut être placé dans un trou 44 formé dans un carter 46 de moteur, par exemple pour l'ana- lyse d'une ailette 48 de turbine afin que les défauts y soient détectés. Il faut noter que le dispositif de transmission du faisceau quf induit l'onde ultrasonore, par exemple les fibres 21, et le dispositif de transmission du faisceau de détection, par exemple la fibre optique 22, balaient simultanément l'objet 16. Ils peuvent être placés de part et d'autre de cet objet 16 et, lorsqu'un défaut 36 (ou des discontinuités acoustiques telles que des interfaces liquides-solides et solides-gaz) de l'objet 16 est rencontré dans ce mode (en transmission), le signal du détecteur optique 30 est réduit puisque, en mode de transmission, un défaut (pu des discontinuités acoustiques telles que des interfaces liquides-solides ou solides-gaz) réduit l'amplitude de l'onde ultrasonore 18. Les dispositifs d'analyse sont bien connus et peuvent être de type mécanique ou électrique, par exemple des cellules de Bragg, dans lesquelles les faisceaux 13 et 23 passent avant de parvenir sur l'objet 16. La variation de la tension appliquée à chaque cellule de Bragg déplace la direction du faisceau quittant la cellule.. Les faisceaux peuvent aussi être analysés par des disposi- tifs mécaniques 40, 40' auxquels sont fixés les miroirs 14...14n ou les faisceaux 32 de fibres optiques. Le faisceau 23 de détection peut se trouver du même c6té que l'objet comme l'indique la figure 3, les faisceaux laser étant dirigés vers des points très rappro- chés et étant aussi analysés ensemble. Dans ce mode de fonctionnement (en réflexion), le signal réfléchi par un défaut 36 (ou par des discontinuités acoustiques telles que des interfaces liquides-solides et solides-gaz) augmente le signal habituellement réfléchi par l'objet 16 et le signal de sortie du détecteur optique 30 augmente en présence d'un défaut 36. Ainsi, l'invention concerne un appareil optique et ultrasonore de détection des défauts et des disconti- nuités acoustiques telles que les interfaces liquides- solides et solides-gaz, dans des objets étudiés, sans que des transducteurs doivent être couplés en contact physique avec l'objet, si bien que les problèmes posés par le couplage des transducteurs avec l'objet, c'est-à- dire des problèmes de mouillage, de revêtement de graisse, de nettoyage, de résidus indésirables, et autres, sont supprimes Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemples préféren- tiels et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil destiné à induire la création d'une onde ultrasonore dans un objet, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (10, 14'..14n) formant plusieurs faisceaux laser parallèles et distants (13...13n) dirigés afin qu'ils tombent sur l'objet, chaque faisceau étant séparé de son voisin par une distance (d) égale à la longueur d'onde du faisceau ultrasonore. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un laser pulsé (10) destiné à former une série d'impulsions laser, et plusieurs miroirs espacés (14...14n) partiellement transparents et partiellement réfléchissants, destinés à transmettre . réfléchir le signal de sortie du laser pulsé sous forme des faisceaux parallèles distants. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rapports des coefficients de transmission et de réflexion des miroirs sont tels que chacun d'eux dirige une même quantité d'énergie sur l'objet afin que l'amplitude de l'onde acoustique reste constante. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre de miroir est compris entre 5 et 10. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte un générateur d'impul- sions laser (10) destiné à former une série d'impulsions laser, et une optique à fibres (32) destinée à diriger le signal de sortie du générateur d'impulsions laser sur l'objet, l'optique à fibres comprenant un faisceau de fibres optiques (21) qui sont séparées chacune de sa voisine par une distance égale à la moitié de la longueur d'onde du faisceau ultrasonore. 6. Appareil de détection de défauts et de discon- tinuités acoustiques, tels que des interfaces solides- liquides et solides-gaz, dans des objets, capable d'assurer la création et la propagation d'ondes ultrasonores, carac- térisé en ce qu'il comprend: un dispositif lumineux (10, 32) destiné à induire des ondes ultrasonores dans l'objet, ce dispositif étant couplé sans contact à l'objet, et un dispositif lumineux (.20) destiné à détecter les ondes ultrasonores dans l'objet, le dispositif de détection étant couplé sans contact avec l'objet. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif destiné à induire des ondes comporte une optique à fibres (21) destinée à diriger les impulsions de faisceau laser sur l'objet à tester. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de détection d'ondes comporte une optique à fibres (22) destinée à diriger un faisceau laser sur l'objet à tester afin que le faisceau soit modulé par les ondes ultrasonores. 9. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif destiné à induire des ondes ultra- sonores comporte une optique à fibres (21) destinée à diriger les impulsions de faisceau laser sur l'objet à tester, et le dispositif -de détection d'ondes comporte une optique à fibres (22) destinée à diriger un faisceau :a.,r sur l'objet à tester afin que le faisceau soit modulé par les ondes ultrasonores. 10. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif (32) destiné à induire des ondes dirige d'intenses impulsions lumineuses sur l'objet testé, constituant la source des ondes ultrasonores. 11. Appareil selon la revendication 10, caracté- risé en ce que les impulsions lumineuses sont des impulsions laser. 12. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif destiné à induire des ondes comporte une optique à fibres (21) destinée à diriger le signal du dispositif générateur d'impulsions laser sur l'objet testé, l'optique à fibres comprenant un faisceau de fibres optiques qui sont séparées chacune de sa voisine par une distance égale à la longueur d'onde du faisceau ultra- sonore. 13. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le dispositif destiné à induire des ondes comporte un dispositif (10) générateur d'intenses impulsions laser, et un dispositif (21) de propagation et de direction des impulsions laser. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de propagation et de direction comporte un dispositif (21) destiné à former plusieurs faisceaux laser parallèles distants dirigés sur l'objet testé, chaque faisceau étant séparé de son voisin par une distance égale à la longueur d'onde (d) du faisceau ultrasonore. 15. Appareil selon la revendication 13, caracté- r isé en ce que le dispositif de propagation et de direction 1S comprend un dispositif générateur d'impulsions laser com- prenant plusieurs miroirs partiellement transparents et partiellement réfléchissants(14...14n) qui sont distants et qui sont destinés à transmettre et réfléchir le signal de sortie du dispositif générateur d'impulsions laser sous forme de faisceaux parallèles espacés. 16. Appareil selon la revendication 15, caracté- risé en ce que les rapports des coefficients de transmission et de réflexion des miroirs (14...14n) sont tels que chaque miroir dirige suffisamment d'énergie sur l'objet testé pour qu'il compense les pertes d'énergie qui appa- raissent pendant le temps de parcours sur une distance - égale à la longueur d'onde de l'onde ultrasonore. 17. Appareil selon la revendication 15, caracté- risé en ce que le nombre de miroirs est compris entre 5 et 10. 18. Appareil selon la revendication 13, caracté- risé en ce que le dispositif de détection comporte un dispositif générateur de faisceaux laser (20), et un second dispositif (22) destiné à propager et diriger le faisceau laser du dispositif générateur sur un point formé sur l'objet. et au niveau duquel la fréquence du faisceau peut être modulée par la fréquence de l'onde ultrasonore. 19. Appareil selon la revendication 18, caracté- risé en ce qu'il comprend un dispositif de battement optique (26) qui reçoit le faisceau laser modulé et qui est destiné à séparer la composante de l'onde ultrasonore du faisceau laser modulé. 20. Appareil selon la revendication 19, caracté- risé en ce que les deux faisceaux laser (13, 23) qui sont dirigés sur l'objet testé balaient celui-ci en syn- chronisme. 21. Appareil selon la revendication 19, caracté- risé en ce qu'il comprend un détecteur optique (30) relié au dispositif de battement optique (26) afin qu'il forme un signal de sortie à partir de la composante de l'onde ultrasonore, l'amplitude du signal de sortie variant lorsque des défauts présents dans l'objet testé sont rencontrés par l'onde ultrasonore.