Brevet FR2666656A1 — publié le 19920313

PROCEDE ET DISPOSITIF D'INSPECTION D'UNE STRUCTURE PAR ANALYSE MODALE La présente invention concerne un procédé d'inspection d'une structure par analyse modale dans lequel on soumet la structure à des vibrations pour exciter, de façon adaptée, des modes propres de la structure sur un spectre de fréquences d'excitation préétabli et on analyse les modes de vibration dans la structure correspondant aux fréquences d'excitation pour détecter un changement de ceux-ci, indicatif d'un défaut dans la structure. L'invention s'étend à un dispositif d'inspection d'une structure par analyse modale. L'inspection de structures, telle que des pièces mécaniques, prend toute son importance lorsqu'on désire assurer une qualité constante de ces pièces mécaniques en recherchant les pièces mécaniques comportant des défauts internes ou externes de structure, tels que des porosités ou des fissures, pour pouvoir écarter les pieces mécaniques défectueuses des pièces mécaniques réputées acceptables. La plupart des secteurs industriels de haute technologie, tels que l'automobile, l'avionique, les machines outils ou l'espace font appel à des procédés et des dispositifs d'inspection de structures non destructifs pour contrôler la présence de défauts dans des pièces mécaniques de haute précision afin de garantir une bonne fiabilité de celles-ci.La plupart du temps les pieces mécaniques à inspecter sont réalisées dans des alliages haute performance, tels que des alliages légers à haute résistance mécanique, thermique, etc... et des défauts de structure dans ces pièces sont souvent préjudiciables à leur utilisation. On connaît des procédés et des dispositifs d'inspection de structures non destructifs dans lesquels les structures à inspecter, telles que pièces mécaniques ou analogue, sont analysées par radiographie. Toutefois, les moyens utilisés dans de tels dispositifs d'inspection s'avèrent très coûteux et incompatibles avec une production de séries dès lors qu'il s'agit de détecter des petits défauts non systématiques dans les structures à inspecter. Du fait que l'analyse radiographique est coûteuse en temps de traitement, les procédés connus s'y rapportant sont essentiellement basés sur une méthode de prélevement d'échantillons dans une population d'échantillons de structures à inspecter, sur laquelle on applique des calculs statistiques de fiabilité. On connaît aussi des procédés et des dispositifs d'inspection de structures par impact dans lesquels on applique un impact, à l'aide d'un marteau, sur une portion de surface de la structure à inspecter. Un exemple de tels procédés et dispositifs d'inspection de structures non destructifs par impact est divulgué dans le brevet EP 0 351 430 au nom de MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO,LTD. Le marteau est pourvu d'un détecteur, tel qu'un accéléromètre, capable de détecter un changement de la force de réaction que reçoit le marteau au moment de l'impact et l'inspection de la structure est réalisée sur la base des signaux reçus par le détecteur. Les signaux électriques reçus par le détecteur pour une structure à inspecter sont comparés aux signaux électriques se rapportant à une structure de référence pour permettre d'établir la présence de défauts dans la structure à inspecter. Toutefois, dans ces techniques connues, les structures à inspecter sont en contact avec les dispositifs d'excitation et de mesure de sorte que lorsque les structures à inspecter sont de géométrie complexe ou de petite taille, ces techniques sont totalement inadaptées. En particulier, lorsqu'on excite une structure à inspecter en lui appliquant un impact on se couple momentanément à une impédance mécanique supplémentaire perturbatrice et mal contrôlée. Ce problème est d'autant plus sensible que la structure à inspecter est de taille réduite. Par conséquent, un objet de l'invention est de pallier les inconvénients précités de l'état de la technique et en particulier un objectif de l'invention est de fournir un procédé d'inspection d'une structure par analyse modale dans lequel la structure à inspecter n'est pas en contact avec les moyens d'inspection de la structure. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé d'inspection d'une structure par analyse modale adapté à des structures de géométries diverses et plus particulièrement à des structures de petites dimensions. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé d'inspection d'une structure par analyse modale particulièrement adapté à un contrôle automatique des défauts dans des structures produites en serie. Ces différents objectifs sont atteints à l'aide d'un procédé d'inspection d'une structure par analyse modale dans lequel on soumet la structure à des vibrations pour exciter des modes propres de la structure dans un spectre de fréquences d'excitation préétabli et on analyse les modes propres de vibration de la structure correspondant aux fréquences d'excitation pour détecter un changement de ceux-ci indicatif d'un défaut dans la structure, caractérisé en ce que: on produit les vibrations par des ondes acoustiques; on relève les modes propres de vibration en mesurant optiquement les déplacements vibratoires de la structure; les deux opérations précédentes étant réalisées sans contact avec la structure. Selon une caractéristique de l'invention, l'excitation acoustique est une excitation électromagnétique. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'excitation acoustique est une excitation électrostatique. L'invention s'étend à un dispositif d'inspection d'une structure par analyse modale comportant un moyen d'excitation de la structure pour exciter des modes propres de la structure dans un spectre de fréquences d'excitation préétabli et un moyen de mesure des modes propres de vibrations de la structure correspondant aux fréquences d'excitation, le dispositif étant caractérisé en ce que: le moyen d'excitation est un moyen générateur d'ondes acoustiques pour appliquer des ondes acoustiques à la structure, et en ce que le moyen de mesure comprend un vibromètre optique pour mesurer, par détection optique, les déplacements vibratoires de la structure soumise aux ondes acoustiques; le moyen d'excitation et le moyen de mesure n'étant pas en contact avec la structure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente de façon schématique un dispositif d'inspection d'une structure par analyse modale selon l'invention, - la figure 2 représente plus particulièrement un vibromètre optique utilisé dans le moyen de mesure du dispositif d'inspection d'une structure selon l'invention. Le procédé d'inspection de structure par analyse modale selon l'invention consiste à mesurer la réponse harmonique ou fonction de transfert de la structure pour des fréquences choisies dans un spectre de fréquences préetabli correspondant aux modes propres de vibration de la structure à inspecter pour détecter un changement de ceux-ci, indicatif d'un defaut dans la structure. De préférence, les frequences choisies permettent l'excitation des quelques résonances de la structure à inspecter, les resonances formant un spectre de raies isolées. Le spectre de raies isolées constitue la "signature" de la structure à inspecter. En comparant les modes excités de la structure à inspecter avec les mêmes modes excités d'une structure d'épreuve, on détecte, de façon connue, la présence de défauts dans la structure à inspecter. Les modes excités de la structure à inspecter sont choisis parmi les modes de rang elevé de celle-ci de maniere à pouvoir explorer la totalité de son volume. L'excitation des modes de rang élevé de la structure à inspecter est obtenue, selon l'invention grâce à des moyens générateurs d'ondes acoustiques disposés à distance d'une zone ponctuelle de la structure, sans contact avec celle-ci. Les modes propres de vibration de la structure soumise aux ondes acoustiques incidentes, sont relevés en mesurant optiquement les déplacements vibratoires de la structure grâce à un vibromètre optique connu en soi. Ainsi les moyens d'excitation et de lecture des modes propres de vibration de la structure à inspecter ne sont pas en contact avec celle-ci. De cette manière le procédé d'inspection de structures selon l'invention peut s'appliquer à tout type de structures, telles que des pièces mécaniques ou analogue de géométrie complexe et de dimensions diverses. L'excitation acoustique sera de préférence une excitation du type électrostatique ou une excitation du type électromagnétique suivant la nature et les dimensions de la structure à inspecter. De cette manière on disposera de paramètres de réglage permettant l'optimisation de la mesure. L'inspection de structures par analyse modale selon l'invention comprend au moins une étape d'étalonnage consistant à déterminer les paramètre de la mesure pour une structure d'épreuve réputée exempt de défauts. L'étape d'étalonnage aboutit à fixer notamment la plage des fréquences d'excitation, la géométrie de l'excitation, la position du point de mesure et les niveaux d'excitation de chaque raie. Les structures à inspecter sont alors soumises à des ondes acoustiques locales induites de manière électrostatique ou électromagnétique, dont les caractéristiques ont été déterminées dans l'étape d'étalonnage. Les déplacements vibratoires de la structure en cours d'inspection sont mesures optiquement. Les signaux optiques obtenus sont convertis en signaux électriques pour fournir un spectre de raies. Un changement des raies en comparaison avec les raies obtenues pour la structure d'épreuve est indicatif de la présence de défauts dans la structure en cours d'inspection. Suivant la nature du changement on sait déterminer le type de défaut et sa gravité. En se reportant à la figure 1, nous allons maintenant décrire un mode de réalisation du dispositif d'inspection d'une structure par analyse modale selon l'invention. Le dispositif comprend une unité de commande et de calcul 160, un détecteur synchrone 150, un moyen d'excitation 110, un moyen de mesure optique 180. Le moyen d'excitation 110 et le moyen de mesure optique 180 sont positionnés a distance mais suffisamment proche de la structure à inspecter 100 par des moteurs de positionnement respectivement 120,170. L'unité de commande et de calcul 160 commande les moteurs de positionnent 120,170 pour positionner de manière adéquate, dans les trois directions représentées par des fleches, le moyen excitateur 110 et le moyen de mesure optique 180. Le positionnement du moyen excitateur 110 est requis pour la phase d'étalonnage tandis que le positionnement du moyen de mesure optique est requis pour la mise au point de l'ensemble optique sur le point de mesure de la structure à inspecter. L'excitation doit être aussi ponctuelle que possible de manière à pouvoir exciter la structure à contrôler en une zone ponctuelle intéressante faisant apparaître un mode caractéristique de la structure particulièrement sensible à la présence d'un défaut interne dans celle-ci. Selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'excitation acoustique est obtenue de maniere électromagnétique, le moyen d'excitation acoustique 110 comporte une bobine d'induction munie d'un noyau à forte perméabilité alimentée en courant. La bobine d'induction soumet localement la structure 100 à un champ magnétique sinusoïdal et les courants induits créent des polarités magnétiques telles que les forces magnétiques résultantes excitent la structure à une fréquence double de la fréquence du courant traversant la bobine d'induction. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'excitation acoustique est obtenue de manière électrostatique, le moyen d'excitation acoustique 110 comporte une électrode disposée en vis à vis avec un point de la surface de la structure pour constituer les deux électrodes d'un condensateur. La structure à inspecter est reliée à la masse tandis que l'électrode du moyen d'excitation est relié à un générateur de tension alternative. La structure est excitée à une fréquence double de la fréquence d'excitation. Le détecteur synchrone 140 est pourvu d'un oscillateur local 150 commandé par l'unité de commande et de calcul 160 pour fournir au moyen d'excitation 110, par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 130, le spectre des fréquences d'excitation préétabli. Le moyen de mesure optique 180 fourni par vibrométrie optique un signal optique proportionnel à la réponse spectrale de la structure soumise aux ondes acoustiques incidentes du moyen d'excitation 110. Le signal optique est transformé en un signal electrique qui est traité, de façon numérique par exemple, fréquence par fréquence, par le détecteur synchrone 140. Le détecteur synchrone 140 se verrouille à chaque fréquence traitée et envoie la valeur d'une nouvelle fréquence d'excitation à l'unité de commande et de calcul 160. L'unité de commande et de calcul 160 libère alors l'oscillateur local 150 pour que celui-ci continue son balayage en fréquence sur le spectre des fréquences d'excitation préétabli et ainsi de suite. Une fois que la totalité du spectre a été acquis, l'unité de commande et de calcul 160 procède à l'analyse des variations du spectre et commande, le cas échéant, sur un moniteur (non représenté), l'affichage des indications de défaut pour la structure qui vient d'être inspectée. On a représenté à titre d'exemple sur la figure 2 un vibromètre optique constituant le moyen de mesure optique 180 selon l'invention. Le vibromètre optique, tel qu'un vibromètre du type "SPECTEC", comprend une source laser 200, une lame semitransparente 210, une lentille de focalisation 220, une optique astigmatique 230, une focale tangentielle 250, un détecteur à quatre quadrants 240 et une focale sagitalle 260. La source laser 200 illumine une zone ponctuelle de la structure 100 à inspecter. Les mouvements vibratoires de la structure dévient les faisceaux lumineux de la source laser qui sont focalisés par la lentille de fossilisation 220 et réfléchis par la lame semi-transparente 210 vers le détecteur à quatre quadrants 240 par l'intermédiaire de l'optique astigmatique 230 et de la focale tangentielle 250. Le détecteur à quatre quadrants 240 détecte les signaux optiques, correspondant aux mouvements vibratoires de la structure, qui sont transformés en signaux électriques comme cela à été décrit précédemment. On pourra prévoir avantageusement que les structures à inspecter sont amenées automatiquement sur le banc de contrôle face au moyen d'excitation 110 et de mesure optique 180 par un plateau mobile, tel qu'un plateau tournant. De cette façon le dispositif d'inspection de structures selon l'invention sera particulièrement bien adapté pour un contrôle de structures produites en série. On pourra aussi prévoir de travailler en mode différentiel et doubler les moyens d'excitation 110 et de mesure 180 pour réaliser en même temps et en temps réel l'inspection d'une structure à contrôler en la comparant à une structure d'épreuve pour s'affranchir des variations des paramètres extérieurs tels que la température ambiante, par exemple. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits, et on pourra prévoir d'autres variantes sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'inspection d'une structure (100) par analyse modale dans lequel on soumet la structure à des vibrations pour exciter des modes propres de la structure dans un spectre de fréquences d'excitation préétabli et on analyse les modes propres de vibration de la structure correspondant aux fréquences d'excitation pour détecter un changement de ceux-ci indicatif d'un défaut dans la structure, caractérisé en ce que: on produit les vibrations par des ondes acoustiques; et on relève les modes propres de vibration en mesurant optiquement les déplacements vibratoires de la structure; les deux opérations précédentes étant réalisées sans contact avec la structure. 2. Procédé d'inspection d'une structure selon la revendication 1 dans lequel l'excitation acoustique est une excitation électromagnétique. 3. Procédé d'inspection d'une structure selon la revendication 1 dans lequel l'excitation acoustique est une excitation électrostatique. 4. Procédé d'inspection d'une structure selon la revendication 1 dans lequel on excite la structure en une zone ponctuelle de celle ci. 5. Dispositif d'inspection d'une structure (100) par analyse modale comportant un moyen d'excitation (110) de la structure pour exciter des modes propres de la structure dans un spectre de fréquences d'excitation préétabli et un moyen de mesure (180) des modes propres de vibration de la structure correspondant aux fréquences d'excitation, dispositif caractérisé en ce que: le moyen d'excitation est un moyen générateur d'ondes acoustiques pour appliquer des ondes acoustiques à la structure et en ce que le moyen de mesure comprend un vibromètre optique pour mesurer, par détection optique, les déplacements vibratoires de la structure soumise aux ondes acoustiques; le moyen d'excitation et le moyen de mesure n'étant pas en contact avec la structure. 6. Dispositif d'inspection d'une structure selon la revendication 5 dans lequel le moyen générateur d'ondes acoustiques comprend une électrode alimentée par un moyen générateur de tension alternative et disposée en vis à vis avec un point de la structure reliée elle même à la masse pour constituer les deux électrodes d'un condensateur. 7. Dispositif d'inspection d'une structure selon la revendication 5 dans lequel le moyen générateur d'ondes acoustiques comprent une bobine d'induction munie d'un noyau à forte perméabilité pour soumettre la structure à un champ magnétique alternatif. 8. Dispositif d'inspection d'une structure selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel la structure à inspecter est amenée automatiquement face au moyen d'excitation et au moyen de mesure par un plateau mobile. 9. Dispositif d'inspection d'une structure selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 dans lequel les moyens d'excitation et de mesure sont doublés pour réaliser en même temps et en temps réel l'inspection d'une structure à contrôler et d'une structure d'épreuve.