Brevet FR2752300A1 — publié le 19980213

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CARACTERISATION D'UN MILIEU SOLIDE OU LIQUIDE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé et un dispositif de caractérisation d'un milieu solide ou liquide. Le domaine de l'invention est notamment celui de la localisation d'objets situés dans un volume solide ou liquide, et en particulier celui de la localisation de canalisations enfouies à des faibles distances, par exemple inférieures à quelques mètres gaz, eau, pétrole.... Etat de la technique antérieure Des dispositifs de l'art antérieur sont décrits dans des articles référencés [1], [2] et [3] en fin de description. Ils concernent les techniques de l'art antérieur suivantes Sismique : on envoie une onde sismique de forte énergie à la surface d'un volume à analyser, on mesure alors l'énergie réfléchie. La mise en oeuvre d'une telle technique est complexe. Electromagnétique : on analyse l'absorption par un objet d'une onde électromagnétique émise. On obtient une localisation de l'objet dans un plan, mais pas une localisation en profondeur. Une information en profondeur nécessite de recourir à des traitements sophistiqués. En effet, pour améliorer la résolution, les techniques électromagnétiques font appel à des méthodes de traitement complexes qui nécessitent la connaissance de propriétés de l'objet à localiser. Radar : on procède à une technique d'écho : on envoie une première impulsion et on récupère une seconde impulsion. Pour obtenir les informations souhaitées, la durée des impulsions doit être inférieure au temps de parcours. Pour des profondeurs inférieures au mètre, les temps de parcours sont de l'ordre de la nanoseconde, voire de la picoseconde, ce qui est difficile à obtenir. Les techniques de radar limitent l'utilisation des méthodes de traitement, mais sont difficiles de mise en oeuvre du fait de temps de propagation très courts, ce qui implique l'utilisation d'impulsions de très faible durée de l'ordre de la nanoseconde, voire de la picoseconde, difficiles à contrôler, d'où des résolutions spatiales très moyennes. Dans ce cas la profondeur de pénétration est limitée de un à trois mètres. Dans le cas d'une cible liquide la plage du radar est de l'ordre du mètre, mais il ne voit pas de faibles quantités de liquide. Magnétostatique : on mesure les variations de l'induction magnétique par utilisation d'un objet. L'observation de variations peut être liée à la présence d'un objet à comportement magnétique. La propagation d'ondes acoustiques (élastiques, ultrasonores) dans les matériaux est un phénomène très utilisé notamment en contrôle non destructif. Cette caractéristique des matériaux est intéressante puisqu'elle permet l'exploration du coeur du solide sans aucune détérioration. Elle est particulièrement connue pour les matériaux isotropes et homogènes. Généralement, la méthode utilisée, basée sur la propagation des ondes acoustiques, consiste à générer une onde en un point de la surface du matériau (par un Emetteur) et, à écouter l'onde en un autre point (Récepteur). L'étude de la fonction de transfert du matériau (rapport entre l'onde émise et l'onde reçue) permet de connaître la structure du matériau traversé par l'onde. Cette analyse peut être utilisée pour déterminer les caractéristiques du matériau, ou, en contrôle non destructif (CND) pour déterminer la présence de défauts qui peuvent apparaître lorsque le matériau est soumis à des efforts. En effet, la présence de défauts et de discontinuités entraîne des diffractions d'ondes. L'application de l'émission acoustique au contrôle et à l'étude du comportement mécanique d'un matériau composite unidirectionnel est décrite dans l'article référencé [4]. Lors de la déformation d'un matériau, il se produit localement des mécanismes de rupture. Ces phénomènes irréversibles et brefs peuvent être d'ordre microscopiques (micro déformations) ou plus importantes (propagations de fissures) . Ceci se traduit par une discontinuité du champ des déplacements. Cette discontinuité appelée événement est source d'une onde de déformation se propageant dans le matériau. A la surface, un capteur adapté (capteur d'accélération du type piézo-électrique) reçoit puis traduit cette onde (vibration mécanique transitoire) en un signal électrique du type salves sinusoidales amorties. Le traitement de ces signaux d'émission acoustique consiste à en extraire des informations en relation avec les mécanismes de rupture. Les méthodes de traitement sont des méthodes de traitement du signal. Dans les dispositifs de l'art antérieur, les moyens employés pèchent notamment par leur complexité de mise en oeuvre (sismique, acoustique), par leur manque de résolution en profondeur (électromagnétisme et magnétostatiques) et par les risques d'éblouissement (radar). L'invention a pour objet de palier aux inconvénients définis ci-dessus et de permettre la caractérisation d'un milieu solide ou liquide par un dispositif simple ayant une bonne résolution spatiale. Exposé de l'invention L'invention propose un procédé de caractérisation d'un milieu solide ou liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - émission d'une onde électromagnétique vers une surface d'un volume étudié et balayage dudit volume par l'onde électromagnétique - détection en surface d'une onde acoustique et/ou d'une onde thermique issue du volume étudié. La présente invention propose également un procédé de détection d'un objet dans ce milieu solide ou liquide, cet objet ayant une absorption électromagnétique différente de celle dudit milieu. Avantageusement l'onde électromagnétique peut être focalisée sur la surface du volume à observer. On peut également détecter une onde thermique en surface. On peut aussi moduler l'onde électromagnétique. Selon le procédé de l'invention, on perturbe le milieu à analyser en émettant une onde électromagnétique, l'objet, par exemple en métal, ou tout objet présentant une conductivité électrique différente de celle du milieu, absorbe de l'énergie, sa température augmente et il y a dilation ou apparition de fissures ou production d'un mouvement relatif entre le milieu et l'objet ayant pour conséquence la production d'une onde acoustique. De la mesure de cette onde acoustique, on détermine la situation de l'objet. Dans le cas où l'objet est recouvert d'eau, l'élévation de température produit une vaporisation de l'eau, ce qui se traduit par une élévation de la pression locale, qui génère à son tour une onde acoustique. L'invention permet en particulier de faire des investigations à des profondeurs inférieures au mètre. L'invention propose également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé précédent qui comporte une source électromagnétique modulée rayonnant dans un milieu solide ou liquide, au moins un détecteur acoustique et éventuellement un ou plusieurs détecteur(s) thermique(s) et/ou acoustique(s) couplés à ce milieu, et un système de balayage. Il peut également comporter un système de focalisation de l'onde électromagnétique. Les détecteurs acoustique ou thermique peuvent etre synchronisés, avec un retard contrôlable, à la source électromagnétique pulsée. Le signal électromagnétique peut être vobulé. L'invention permet la surveillance de zones inaccessibles situées par exemple - dans des centrales nucléaires - dans des structures offshore immergées - dans des réservoirs. Brève description des dessins - La figure 1 illustre le procédé de l'invention dans le cas d'un objet absorbant situé dans un milieu solide ou liquide moins absorbant que celuici - la figure 2 illustre une première variante du dispositif de l'invention comprenant une focalisation et un balayage - la figure 3 illustre une seconde variante du dispositif de l'invention sans focalisation. Exposé détaillé de modes de réalisation L'invention propose un procédé pour produire une onde acoustique de façon non destructive. Dans l'art antérieur l'émission d'une onde acoustique est réalisée à partir de contraintes mécaniques appliquées sur des matériaux comme l'introduction d'une épingle par exemple. Dans l'invention, l'onde électromagnétique est focalisée en surface du volume à analyser et l'onde acoustique est détectée en surface. L'étude de l'onde acoustique émise par un milieu en fonction du point de focalisation est un moyen de caractérisation du milieu. Le procédé de l'invention comprend - des moyens d'émission d'une onde électromagnétique, ces moyens étant situés à l'extérieur dans le cas d'un milieu solide, à l'extérieur ou à l'intérieur dans le cas d'un milieu liquide - des moyens de détection acoustique et/ou thermique, situés sur la paroi externe du milieu dans le cas d'un milieu solide, sur la paroi externe et ou dans le milieu dans le cas d'un milieu liquide. La figure 1 illustre le concept de base de l'invention. Un milieu solide ou liquide 11, qui reçoit une onde électromagnétique 12 , est soumis à une élévation locale 13 de température, l'énergie électromagnétique absorbée étant transformée en chaleur ce qui se traduit par un échauffement local, et produit une onde acoustique 14. Comme dans l'exemple de réalisation illustré sur cette figure 1, on peut aussi avoir, de plus, un objet absorbant 10 disposé dans le milieu 11, qui est moins absorbant que l'objet. Le procédé de l'invention utilise la conjonction de signaux de nature différente, en particulier de signaux électromagnétique, thermique, et acoustique. Du fait de leur nature différente les interférences entre signaux sont limitées. De plus, la vitesse de propagation de l'onde acoustique étant très inférieure à celle de l'onde électromagnétique, son temps de propagation est donc plus important, ce qui permet, dans une technique d'écho, de bien séparer dans le temps la réception de l'émission. Deux techniques peuvent être mises à profit pour détecter l'élévation locale de température 13 Détection directe de la variation de température par l'utilisation de un ou plusieurs thermomètres couplés au milieu. Dans ce cas les thermomètres voient une variation de la température, bien sûr amortie par rapport à celle au point de focalisation. Détection au moyen d'un ou plusieurs capteurs acoustiques placés en surface, l'échauffement local pouvant se traduire par différents phénomènes pouvant engendrer une onde acoustique 14 qui après propagation dans le milieu peut être détectée. Ainsi comme illustré sur la figure 2, dans une première variante, le dispositif de l'invention comporte un émetteur 20 qui commande une antenne 21 émettant une onde électronique, qui est focalisée par traversée d'une lentille 22, au moins un capteur de température 23 relié à un dispositif de détection thermique 24 recevant un signal de synchronisation de l'émetteur, et au moins un capteur acoustique 25 relié à un dispositif de détection acoustique 26 recevant également un signal de synchronisation de l'émetteur. Les phénomènes de production de l'onde acoustique, due à l'échauffement, peuvent être - une dilatation thermique locale - la formation de fissures - un déplacement relatif avec frottement - une augmentation locale et brutale de la pression suite à la vaporisation d'un liquide, voire à la fusion ou la vaporisation d'un solide. Les capteurs de détection peuvent être de différentes natures - microphones - sismiques - thermomètres. Dans cette variante le signal électromagnétique est focalisé par le système antennelentille (21, 22). L'antenne 21 et la lentille 22 forment un ensemble de focalisation mobile en (x, y, z). Le balayage du volume à explorer est réalisé par des mouvements combinés de ces composants. La résolution spatiale r est reliée à la fréquence f du signal par la relation de Fresnel, r=1,22 v/f sine, où v est la vitesse du signal électromagnétique et O l'angle d'ouverture de la lentille. Pour une résolution de quelques centimètres la fréquence est de l'ordre du Ghz. Cette résolution correspond à la résolution transverse. Par contre la résolution longitudinale est meilleure, de l'ordre de quelques millimètres. Le signal électromagnétique modulé sous forme sinusoïdale ou sous forme d'impulsions peut être aussi vobulé, ce qui permet d'optimiser sa propagation ou son absorption (on réalise en effet une spectrométrie) et donc d'avoir accès à certaines propriétés de l'objet. L'intérêt d'utiliser une onde électromagnétique à l'émission est que cette onde peut se propager dans des milieux présentant une conductivité électrique et une perméabilité magnétique limitées, ce qui est le cas de nombreux milieux. De plus cette onde peut être focalisée. Suivant les propriétés du milieu, l'onde électromagnétique est plus ou moins absorbée. Pour un milieu homogène la densité d'énergie absorbée est maximale en un point de focalisation. Dans le cas, par exemple, du passage d'un milieu non absorbant à un milieu absorbant la variation de la densité d'énergie absorbée au point de focalisation est significative. La détection de cette variation permet de localiser le changement de milieu. Si l'on réalise un balayage de l'espace on peut ainsi définir la géométrie locale. La variation de l'énergie absorbée se traduit du point de vue électromagnétique par une variation de la charge qui pourrait être mise à profit pour détecter les changements de milieu, mais les moyens de détection actuels ne sont pas assez sensibles pour utiliser un tel phénomène. La technique développée ci-dessus est applicable dans différentes configurations puisqu'elle est basée sur la différence d'absorption entre le milieu environnant et l'objet à visualiser. Ainsi, par exemple, dans une seconde variante du dispositif de l'invention, celui-ci, comme représenté sur la figure 3, est un dispositif sans focalisation. Il comporte, comme dans le dispositif sur la figure 2, un émetteur 20, un capteur acoustique 25 relié à un dispositif de détection acoustique 26. Il comprend, par contre, une antenne 30 mobile en (x, y,z). Dans cette variante de réalisation le signal électromagnétique n'est pas focalisé mais uniquement pulsé. Dans ce cas la présence d'une discontinuité des propriétés du milieu peut se traduire par une augmentation de l'absorption du signal d'où une élévation locale de la température qui peut aussi provoquer une impulsion acoustique. La détection de cette impulsion et en particulier la mesure de l'intervalle de temps entre celle-ci et l'impulsion électromagnétique permet de localiser la discontinuité dans une direction. Dans différents exemples d'application - l'objet 10 peut être un objet métallique disposé dans un milieu peu absorbant - l'objet 10 peut être un objet diélectrique disposé dans un milieu absorbant - l'objet 10 peut être un volume de liquide confiné disposé dans un milieu peu absorbant. REFERENCES [1] Comparison of the seismic and ground probing radar methods in geological survey de D.M. McCann, P.D. Jackson et P.J. Fenning (IEE Proceedings, volume 135, Pt. F, No. 4, août 1988, pages 380-390) [2] A magnetometer system to estimate location and size of long, horizontal ferrous rods de J.E. McFee, R.O. Ellingson, J. Elliott et Y. Das (IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 45, No. 1, février 1996, pages 153-158) [3] Noncontact induced current impedance imaging de R.C. Tozer, J.C. Simpson, I.L. Freeston et J.M. Mathias (Electronics Letters, 9 avril 1992, vol. 28, n" 8, pages 773-774). [4] Application de l'émission acoustique au contrôle et à l'étude du comportement mécanique d'un matériau composite unidirectionnel de P. Gaultier et B. Paluch (ISMCM) (Journée nationale Composites, 9-11 septembre 1986, page 551) REVENDICATIONS 1. Procédé de caractérisation d'un milieu solide ou liquide, absorbant pour des ondes électromagnétiques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - émission d'une onde électromagnétique (12) vers une surface d'un volume étudié et balayage dudit volume par l'onde électromagnétique - détection en surface d'une onde acoustique (14) et/ou d'une onde thermique issue dudit volume étudié. 2. Procédé selon la revendication 1, qui est utilisé pour la détection d'un objet (10) situé dans ce milieu, cet objet (10) ayant une absorption électromagnétique différente de celle du milieu (11). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on focalise l'onde électromagnétique sur la surface du volume à observer. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on module l'onde électromagnétique. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui comporte une source électromagnétique (20) rayonnant dans un milieu, et au moins un détecteur acoustique (25) couplé à ce milieu et un système de balayage de milieu par le faisceau électromagnétique. 6. Dispositif selon la revendication 5, qui comporte au moins un détecteur thermique (23). 7. Dispositif selon la revendication 5 comportant un système de focalisation (21, 22) de l'onde électromagnétique (12). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 dans lequel les détecteurs (23, 25) sont synchronisés, avec un retard contrôlable, à la source électromagnétique modulée en amplitude. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, dans lequel le signal électromagnétique est vobulé.