Brevet FR2941782A1 — publié le 20100806

Procédé de localisation d'apparition d'un défaut dans un milieu par une onde. L'invention concerne un procédé de localisation d'apparition d'un défaut dans un milieu par une onde. On tonnait des procédés de localisation de défauts dans lesquels ledit milieu est équipé : - de sources placées dans ledit milieu et adaptées pour émettre une onde dans le milieu, et - de capteurs placés dans ledit milieu et adaptés pour recevoir ladite onde émise. Notamment, des procédés d'imagerie conventionnels font propager à différentes dates des ondes acoustiques ou ultrasonores dans un milieu. En supposant que la vitesse de propagation de l'onde est connue dans le milieu, il est possible de relier un temps à une distance et de construire une image de réflectivité ou de variation de réflectivité en chaque point du milieu, représentative des changements intervenus entre les deux dates. Ce type de procédé est efficace pour repérer des hétérogénéités ou diffuseurs dans un milieu, lorsque l'onde se propage dans le milieu en régime de diffusion simple, c'est-à-dire lorsque lors de son trajet, l'onde n'interagit qu'avec une seule hétérogénéité avant d'être détectée. Dans le cas d'un milieu comprenant de nombreuses hétérogénéités, tel que du béton, l'onde ultrasonore utilisée dans le procédé connu susmentionné est de relativement basse fréquence : inférieure à 50 kHz. Cependant, lorsqu'on cherche à détecter des défauts de faible dimension inclus dans un tel milieu hétérogène, ce procédé est inefficace car la longueur d'onde utilisée est trop grande. De plus, le procédé en régime de diffusion simple est peu sensible car l'onde ultrasonore ne rencontre le défaut qu'une seule fois lors de son parcours dans le milieu. D'autre part, lorsque l'onde se propage dans le milieu en régime de diffusion multiple dans un tel milieu hétérogène, c'est-à-dire lorsque lors de son trajet, l'onde interagit avec plusieurs hétérogénéités avant d'être détectée, une telle technique d'imagerie conventionnelle n'est plus opérationnelle. 1l n'est plus possible d'associer un temps de propagation à un trajet unique, ni d'associer un trajet à une hétérogénéité. La présente invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients, et de permettre notamment la localisation d'un défaut en régime de diffusion multiple. A cet effet, un procédé de localisation d'apparition de défaut comprend les étapes suivantes : - une étape d'initialisation dans laquelle on détermine des réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t) de l'onde entre les sources et les capteurs, puis - au moins une étape de détection de défauts, dans laquelle : a) on mesure à une date ti les réponses impulsionnelles 20 hi(R,S,t) de l'onde entre les sources et les capteurs, i étant un indice naturel positif, b) on calcule un coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) entre les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) à la date ti et les réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t), 25 c) on calcule une probabilité d'exploration P(S,R,t,x) d'une position x du milieu par l'onde acoustique, d) on calcule une fonction d'erreur ei (S, R, x) pour chaque couple de source-capteur, et e) on calcule le produit p(i,x) de au moins certaines des 30 fonctions d'erreur ei(S,R,x) des couples de source-capteur, par p(i, x) = fl ei(S, R, x), ledit produit p(i,x) représentant S, R une cartographie de la probabilité d'apparition d'un défaut u à chaque position x. Grâce à ces dispositions, le procédé permet 35 notamment de localiser des défauts de petite taille dans un milieu hétérogène. Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le milieu comprend des hétérogénéités et l'onde se propage dans le milieu selon un régime de diffusion multiple pour lequel l'onde interagit au cours de son trajet avec plus d'une hétérogénéité ; - après l'étape e), on normalise le produit p(i,x) en divisant chaque valeur par Norm = f p(i, x).dx , intégrale 10 sur l'ensemble des positions x du milieu ; - les réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t) sont déterminées par la moyenne de N réponses impulsionnelles hi(R,S,t) à des dates t3, j étant un indice naturel tel que 0 L'objet de l'invention est un procédé pour détecter un défaut U qui apparaît au cours du temps dans un milieu 1 et pour déterminer sa position dans le milieu 1. Le procédé utilise : - une propagation d'onde en régime de diffusion 20 multiple, et - un traitement des siyuaux par inversion bayésienne, basée sur la comparaison entre une probabilité calculée ou théorique de perturbation de l'onde liée à l'apparition d'un défaut à une position et à une date, et 25 une même probabilité mesurée ou estimée par des mesures de perturbation de l'onde liée à 1"apparition du défaut à la même position. Par propagation d'onde, on entend notamment toute onde du type : onde acoustique, onde ultrasonore, micro- 30 ondes, onde élastique, onde sismique, onde électromagnétique et onde optique. La description suivante du procédé, s'attachera à présenter donc un mode de réalisation dans lequel on recherche des défauts dans un matériau tel que du béton à 35 l'aide d'ondes ultrasonores. Mais, le procédé peut être appliqué à de nombreux domaines ou applications, autres que le contrôle non destructif de matériaux, comme la sismologie, les radars, l'optique... Comme représenté en figure 1, le milieu 1 est constitué par exemple d'un matériau de construction 5 composite, tel que du béton, et comprend : - des sources 5, identifiées respectivement par des indices S compris entre 1 et P, et placées dans le milieu 1 à des positions xs connues, lesdites sources 5 étant adaptées pour émettre une onde ultrasonore 2 dans le milieu 10 1, - des capteurs 6, identifiées respectivement par des indices R compris entre 1 et Q, et placés dans le milieu 1 à des positions xR connues, lesdits capteurs 6 étant adaptés pour recevoir ladite onde ultrasonore 2 émise 15 par au moins une des sources 5. Il faut entendre positions xs, XR, comme étant chacun un vecteur représentant dans un système de coordonnées, par exemple cartésien, la position de la source 5 et du capteur 6, respectivement. 20 Les sources 5 et les capteurs 6 sont répartis dans le volume du milieu 1 et/ou à sa périphérie 3. La position et le nombre des sources 5 et des capteurs 6 conditionnent la résolution du procédé. Dans le cas d'un milieu 1 en béton, l'onde 25 ultrasonore 2 a un régime de diffusion pour une haute fréquence de l'onde, c'est-à-dire par exemple supérieure à 50 kHz. Dans ce régime de propagation, l'onde ultrasonore 2 subit de multiples diffusions et parcourt de multiples chemins dans le milieu 1, à cause des réflexions sur la 30 périphérie 3 du milieu ou sur des hétérogénéités ou granulats 4 inclus dans ce matériau béton non homogène du milieu 1. Grâce au régime de diffusion, l'onde ultrasonore 2 interagit plusieurs fois avec le défaut U, ce qui permet 35 une meilleure sensibilité du procédé. Lors de la mise en oeuvre de ce procédé, on mesure à une date ti les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) de l'onde ultrasonore entre les sources 5 et les capteurs 6, i étant un indice naturel positif ou nul représentant cette date ti. R et S sont donc dans la notation hi(R,S,t) les indices susmentionnés, identifiant la source 5 et le capteur 6 considérés. La fonction hi(R,S,t) est donc simplement une fonction du temps représentative du signal reçu par le capteur 6. Selon le nombre de voies simultanées du matériel d'acquisition, ces enregistrements sont effectués les uns après les autres ou de manière simultanée pour au moins une partie des capteurs 6. Eventuellement ces enregistrements peuvent être répétés pour les moyenner et ainsi réduire le bruit des réponses impulsionnelles enregistrées. La figure 2 représente un exemple de réponse impulsionnelle hi(R,S,t) obtenue pour un couple de source-capteur 5, 6. Ces mesures ou enregistrements représentent l'empreinte ou signature numérique ultrasonore du milieu à la date ti. L'apparition d'un défaut U va induire alors une modification de cette empreinte. Le défaut pourra être détecté et localisé par comparaison des mesures successives, c'est-à-dire au moins une avant apparition du défaut et au moins une après apparition du défaut. L'enregistrement des mesures est donc répété régulièrement, et avantageusement le plus souvent possible. Plus précisément, la mise en oeuvre du procédé peut comprendre par exemple la succession des étapes suivantes : Lors d'une première étape d'initialisation du procédé, on effectue par exemple à la date t=0, une première série de mesure. Les réponse impulsionnelles de la première série de mesures sont notées href(R,S,t)=ho(R,S,t). Eventuellement, une moyenne de N réponses impulsionnelles, hj(R,S,t) à des dates t; antérieures à la date ti, est calculée. j est donc un indice naturel tel que 0 La réponse impulsionnelle à la date to ou la moyenne des réponses impulsionnelles définie précédemment constitue une empreinte de référence href(R,S,t) du milieu 1. Dans une deuxième étape du procédé, on réalise les acquisition à la date ti des réponses impulsionnelles hi(R,S,t) de l'onde ultrasonore entre les sources 5 et les capteurs 6, tel que déjà décrit précédemment. On notera que la date ti de cette acquisition peut être effectuée à plusieurs secondes, minutes, heures ou jours de la précédente, alors que la réponse impulsionnelle hi(R,S,t) est une fonction du temps t qui est échantillonnée à une fréquence d'échantillonnage importante. Si l'onde est une onde ultrasonore, par exemple à 500 kHz, la fréquence d'échantillonnage du signal peut être supérieure à la fréquence de l'onde, c'est-à-dire de 1000 kHz. La durée de l'enregistrement de la réponse impulsionnelle est par exemple de 0,3 ms (voir figure 2), ou inférieure à 1 seconde. Les ondes ultrasonores 2 sont sensibles à des variations globales environnementales du milieu, telles que la température, les contraintes, etc. L'objet du procédé est de détecter des variations locales, l'apparition de défauts U localisés. Ces variations globales peuvent donc gêner la détection des variations locales, c'est pourquoi il peut être avantageux de corriger les mesures des réponses impulsionnelles hi(R,S,t) pour éliminer ou au moins réduire l'effet des variations globales. Dans une troisième étape du procédé, on corrige donc éventuellement les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) mesurées en les remplaçant par des réponses impulsionnelles corrigées hi(R,S,t(1-E)),où E est un coefficient de dilatation temporel qui maximise le coefficient de corrélation suivant : CC(E) = f hi(R, S, t(1 - E)) •href(R, S, t) .dt .\i f hi (R, S, t) .dt. f hre f(R, S, t) .dt les intégrales précédentes étant effectuées sur l'ensemble du signal de la réponse impulsionnelle hi(R,S,t). Les réponses impulsionnelles corrigées sont avantageusement ré-échantillonnées et interpolées pour avoir un échantillonnage aux mêmes instants temporels que les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) non corrigées, de telle sorte que les calculs suivants sont réalisés de manière identique. Dans une quatrième étape du procédé, on calcule un coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) entre les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) à la date ti et les réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t), pour comparer les empreintes numériques ultrasonores, et qui traduit la perturbation de l'onde liée à l'apparition du défaut U. Par exemple, pour chaque couple source-capteur 5, 6, on a : t-T / 2 f hi(R, S, t) .href(R, S, t) .dt Ki(S, R, t) = 1 - 2 (2) t+T/2 t+T/2 f hi2(R, S, t) .dt. f href2(R, S, t) 1 t-T / 2 t-T / 2 Avec T un paramètre temporel tel que entre t-T/2 et t+T/2, la réponse impulsionnelle hi(R,S,t) présente plusieurs oscillations. Notamment, il peut être intéressant que cette réponse impulsionnelle présente plus de 10 oscillations autour de zéro en dynamique. S'il n'y a pas de différence entre les empreintes numériques ultrasonores, le coefficient de décorrélation 25 Ki(S,R,t) est nul. Des différences entre les empreintes numériques ultrasonores provoqueront un coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) supérieur à zéro. Si un défaut apparaît dans le milieu, alors les 30 empreintes numériques ultrasonores vont progressivement se décorréler et le coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) va augmenter. Si les empreintes sont aléatoires et indépendantes les unes des autres, le coefficient de décorrélation K1(S,R,t) est alors maximal et prend la valeur 1. Dans une cinquième étape du procédé, on calcule une probabilité d'exploration P(S,R,t,x).dx d'une position x (à dx près) dans le milieu 1 par l'onde ultrasonore, en partant de la source 5 et en arrivant au capteur 6, après un temps t, par l'intégrale suivante : P ( S , R, t , x) . dx = J g(xs, x, u) .g(x, xR, t - u).du ( 3 ) 0 g(xs, xR, t) Où g(xs,x,u) est la probabilité de transport de l'onde 10 ultrasonore qui, en partant de la source 5 au temps zéro, arrive à la position x, après un temps u, g(x,xR,t-u) est la probabilité de transport de l'onde ultrasonore qui, en partant de la position x au temps zéro, arrive au capteur 6, après un temps t-u, 15 g(xs,xR,t) est la probabilité de transport de l'onde ultrasonore qui, en partant de la source 5 au temps zéro, arrive au capteur 6, après un temps t. La fonction de probabilité g correspond à une intensité de l'onde transmise. Cette fonction de 20 probabilité g peut être estimée dans le cas où un capteur 6 est présent à la position x (x=xR), par l'enveloppe de la réponse impulsionnelle hi(R,S,t) g(xR, xs, t) enveloppé`h(R, S, t)), l'enveloppe de ce signal pouvant être calculé par la valeur 25 absolue de sa transformée de Hilbert. Cependant, pour calculer la probabilité d'exploration P(S,R,t,x) de la position x, il est nécessaire de calculer la fonction de probabilité g en tout point du milieu de position x, notamment en des points où 30 il n'y a ni source 5, ni capteur 6. En pratique, la connaissance parfaite de la fonction de probabilité g est donc difficile. C'est pourquoi la fonction de probabilité g est souvent calculée numériquement par un modèle du milieu 1, dans lequel on 35 intègre la connaissance par exemple de : - la géométrie du milieu 1, - la valeur du coefficient de diffusion D de l'onde dans le milieu 1, ce coefficient de diffusion D pouvant être estimé par des mesures sur ledit milieu, et - de paramètres de conditions aux limites du milieu, sur sa périphérie ou bords 3 ; et notamment de coefficients d'absorption, de réflexion partielle ou totale, etc... Une première variante pour simuler le modèle du 10 milieu 1 est de résoudre une équation de diffusion, du type : ag = D.V2g ât Où g(x,t) est une grandeur représentant une onde, et D un coefficient de diffusion. 15 Une deuxième variante pour simuler, le modèle du milieu 1 est de résoudre une équation de Paaschens. Une telle approche plus complexe, et donne des résultats plus précis. On se réfèrera à la publication suivant pour sa mise en oeuvre : Paasschens, J. � Solution 20 of the time-dependent Boltzmann equation �, Phys. Rev. E, 1997, 56, 1135-1141. Une troisième variante pour simuler, le modèle du milieu 1 est de résoudre une équation de transfert radiatif. Une telle approche est encore plus complexe, et donne des résultats encore plus précis. On se référera pour sa mise en oeuvre au livre de Chandrasekhar, S., � Radiative Transfer �, Oxford University Press, 1950, et à la publication de Margerin, L. et Campillo, M. et Van 30 Tiggelen, B. � Monte Carlo simulation of multiple scattering of elastic waves �, J. Geophys. Res., 2000, 105, 7873-7892. Le calcul des coefficients de décorrélation KI(S,R,t) pour chaque couple source-récepteur 5, 6 donne 35 une valeur approchée de la probabilité d'exploration P(S,R,t,x).dx d'une position x par l'onde ultrasonore. 25 Dans une sixième étape du procédé, on calcule alors une fonction d'erreur ei(S,R, x) pour chaque couple de source-capteur 5, 6 : /K• (S, R, t) - P(S, R, t, x)~ ei(S, R, x) = F a i où F est une fonction positive, paire et décroissante de 0 à Cette fonction peut par exemple s'approximer par une loi de distribution gaussienne par la formule suivante : [K,(S,R,t)-P(S,R,t,x)12 1 2 .aZ ei(S, R, x) _ .e ,/2 .ir.a Où a est l'erreur maximale supposée, Ki est le coefficient de décorrélation calculé par les séries de mesure de réponse impulsionnelles, et P est la probabilité d'exploration d'une position x 15 par l'onde ultrasonore, calculé de manière théorique. Le coefficient multiplicateur 1 peut ,/2 .n.a éventuellement être omis dans les calculs, puisqu'il ne représente qu'une constante d'échelle. Enfin, dans une septième étape du procédé, on 20 calcule le produit p de au moins certaines des fonctions d'erreur ei des couples de source-capteur 5, 6 : p(i, x) = II ei(S, R, x) S, R Ce produit p(i,x) représente une cartographie ou image de la probabilité d'apparition d'un défaut à chaque 25 position x à la date ti. Le produit p peut être éventuellement normalisé en divisant chaque valeur de p par Norm : Norm = f p(i, x).dx , intégrale sur l'ensemble des positions x du milieu. Un exemple à deux dimensions d'une telle cartographie est donnée en figure 3, dans laquelle une échelle allant du blanc au noir correspond à une densité spatiale de probabilité d'apparition de défaut allant de 0 30 à 0,01, respectivement. L'unité est une densité de probabilité par longueur d'onde au carré, pour une détection sur une surface. Dans le cas d'une détection dans un volume, l'unité sera une densité de probabilité volumique par longueur d'onde au cube. Le défaut U est bien localisé par une tache très sombre centrée sur une position de coordonnées cartésiennes (14, 35) en longueur d'onde X. Cette figure 3 comprend une partie représentant une portion agrandie de la tache montrant que le contraste entre la tache et le fond de la cartographie est élevé. La position du défaut U est donc bien définie dans une région du milieu. REVENDICATIONS1. Procédé de localisation d'apparition d'un défaut dans un milieu par une onde, ledit milieu étant équipé : - de sources (5) placées dans ledit milieu et adaptées pour émettre l'onde dans le milieu, - de capteurs (6) placés dans ledit milieu et adaptés pour recevoir l'onde émise, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape d'initialisation dans laquelle on détermine des réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t) de l'onde entre les sources (5) et les capteurs (6), puis - au moins une étape de détection de défauts, dans 15 laquelle : a) on mesure à une date ti les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) de l'onde entre les sources (5) et les capteurs (6), i étant un indice naturel positif, b) on calcule un coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) 20 entre les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) à la date ti et les réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t), c) on calcule une probabilité d'exploration P(S,R,t,x) d'une position x du milieu par l'onde, d) on calcule une fonction d'erreur ei (S, R, x) pour chaque 25 couple de source-capteur (5, 6), et e) on calcule le produit p(i,x) de au moins certaines des fonctions d'erreur ei(S,R, x) des couples de source-capteur (5, 6) ; par p(i,x) _ fJ ei(S, R, x), ledit produit p(i,x) S, R représentant une cartographie de la probabilité 30 d'apparition d'un défaut U à chaque position x. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le milieu comprend des hétérogénéités et l'onde se propage dans le milieu selon un régime de diffusion multiple pour 35 lequel l'onde interagit au cours de son trajet avec plus d'une hétérogénéité. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel après l'étape e), on normalise le produit p(i,x) en divisant chaque valeur par Norm = f p(i, x).dx , intégrale sur l'ensemble des positions x du milieu. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les réponses impulsionnelles de référence href(R,S,t) sont déterminées par la moyenne de N réponses impulsionnelles hi (R,S,t) à des dates ti, j étant un indice naturel tel que 0 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel entre l'étape a) et b), on corrige les réponses impulsionnelles hi(R,S,t) mesurées en les remplaçant par des réponses impulsionnelles corrigées hi(R,S,t(l-E)), où E est un coefficient de dilatation temporel qui maximise le coefficient de corrélation suivant : f hi(R, S, t(1 - E)) .href(R, S, t) .dt CC(E) = 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le coefficient de décorrélation Ki(S,R,t) est calculé par la formule suivante : t-T /2 f hi(R, S, t) .href(R, S, t) .dt Ki(S, R, t) = 1 - t-T / 2 t+T/2 t+T/2 f hi2(R, S, t) .dt. f href2(R, S, t) \t-T/ 2 t-T / 2 où T est un paramètre temporel, tel que entre t-T/2 et t+T/2, la réponse impulsionnelle hi(R,S,t) présente 30 plusieurs oscillations. J f hi (R, S, t) .dt. f hre f (R, S, t) .dt 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la probabilité d'exploration P (S, R, t, x) de la position x à dx près est calculée par la formule suivante : (j g(x5, x, u) .Cj(x, xR , t - u) du 5 P(S,R,t,x).dx= o g(xs, xR, t) Où g(xs,x,u) est la probabilité de transport de l'onde qui, en partant de la source (5) au temps zéro, arrive à la position x, après un temps u, g(x,xR,t-u) est la probabilité de transport de 10 l'onde qui, en partant de la position x au temps zéro, arrive au capteur (6), après un temps t-u, g(xs,xR,t) est la probabilité de transport de l'onde qui, en partant de la source (5) au temps zéro, arrive au capteur (6), après un temps t. 15 20 où F est une fonction positive, paire et décroissante de 0 à +o., a est une erreur maximale supposée, Ki est le coefficient de décorrélation estimé par les mesures des réponses impulsionnelles, et 25 P est une probabilité d'exploration de la position x par l'onde. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la fonction d'erreur ei(S,R, x) est calculée 30 par la formule suivante : [K,(S, R, t)-P(S,R, t, x)J2 1 ei(S, R, x) = .e 2.a2 ,/2 .n.a où : a est une erreur maximale supposée, 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fonction d'erreur ei(S,R,x) est calculée par la formule suivante : ei(S, R, x) F CKi(S, R, t) - P(S, R, t, x)l = 6Ki est le coefficient de décorrélation estimé par les mesures des réponses impulsionnelles, et P est une probabilité d'exploration de la position x par l'onde. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le milieu est un matériau de construction composite. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'onde est une onde acoustique ultrasonore. 12. Procédé selon la revendication précédente, dans 15 lequel l'onde acoustique ultrasonore a une fréquence supérieure à 50 kHz. 10