Brevet FR3130733A1 — publié le 20230623

La présente invention concerne un système et un procédé pour la détection de défaut dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, en particulier une structure de type rails de voie ferrée. La structure allongée est instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans la structure, chaque transducteur est couplé à un dispositif électronique installé le long de la structure et configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 SYSTEME ET PROCEDE POUR LA DETECTION DE DEFAUTS DANS DES STRUCTURES ALLONGEES Domaine de l’invention L’invention concerne le domaine de la surveillance de la santé de structures (« Structural Health Monitoring » ou SHM selon l’anglicisme consacré), en particulier la surveillance par contrôle non destructif de la santé de structures allongées, comme des rails ferroviaires. Etat de la Technique Dans le secteur ferroviaire, le rail est un élément critique dont il faut surveiller l’intégrité. Soumis à des sollicitations thermomécaniques très fortes (e.g. contraintes internes à cause de la dilatation thermique contrariée, passage des trains), les portions de rail s’usent au fur et à mesure du temps, ce qui peut engendrer des défauts (e.g. casse et amorce de rupture) et parfois entrainer des casses franches. Aussi pour des raisons de sécurité, il est impératif que l’état des voies ferroviaires soit surveillé très régulièrement pour limiter, le cas échéant en cas de détection de casse, la circulation des trains et ainsi diminuer voire supprimer les risques de déraillement de trains. Plusieurs approches sont connues et mises en œuvre pour surveiller l’intégrité des rails. En particulier, une solution est basée sur l’analyse d’ondes élastiques (ou ultrasonores) guidées. L’utilisation d’ondes ultrasonores guidées comme moyen de communication entre deux points d’une même structure est proposée dans l’article de J. Moll et al. « Complex Intelligent Structures with Data Communication Capabilities », 9 th European Workshop on Structural Health Monitoring, July 10-13, 2018, Manchester, United Kingdom, pour différentes structures, comme un segment de pale d’hélicoptère, un joint en acier, un bloc en béton ou encore une structure en sandwich. Cet article limite l’application des ondes ultrasonores guidées à des structures où la communication entre un émetteur et un récepteur se fait sur de très courtes distances. Les expériences proposées sont faites sur des reproductions à très faible échelle des structures étudiées. Le domaine du ferroviaire n’est pas étudié, ni suggéré. En effet, dans ce domaine, les structures à étudier s’étendent sur de longues distances, et il est bien connu qu’un tel milieu est un milieu dispersif pour les ondes ultrasonores guidées, ce qui n’encourage pas, voire réfrène leur utilisation pour faire du contrôle de santé des rails. Cependant, la Demanderesse dans différentes demandes de brevet liées au contrôle de santé de voies ferroviaires, a proposé une approche qui consiste à disposer le long du (ou des) rail (typiquement à des points espacés de l’ordre du km), des transducteurs ultrasonores qui émettent des ondes élastiques guidées, qui en se propageant sur ces longues distances interagissent avec les défauts. Les procédés proposés d’analyse des signaux alors diffractés permettent de détecter, voire localiser des endommagements. Une absence de signal transmis est aussi le signe d’une potentielle rupture de rail. Cette approche qui est par exemple décrite dans les demandes de brevet de la Demanderesse, FR3084748 ou FR3105148, est globalement satisfaisante. Cependant, elle présente des limitations, car elle n’est bien adaptée que pour la surveillance de voies qui sont peu fréquentées, c’est-à-dire là où il existe des créneaux temporels durant lesquels il n’y a pas de passage de train entre les capteurs considérés pour les analyses. Or, lorsque la circulation des trains est dense, ce qui est le cas des voies urbaines de type métro ou RER où il y a pratiquement toujours un train sur une section considérée entre 2 transducteurs, cette approche souffre de problèmes de fiabilité. En effet, la présence de train entre deux capteurs ajoute un bruit important qui est relevé par les transducteurs. Les frottements engendrés par le contact roue-rail crée des vibrations parasites du rail qui perturbent la mesure par les transducteurs. Le signal ultrasonore transmis entre 2 transducteurs par le système peut ainsi être masqué, noyé au sein d’un signal bruité. De nombreuses fausses alarmes liées aux passages des trains peuvent être envoyées au système d’analyse, et sont susceptibles de perturber le bon fonctionnement du système car elles peuvent pousser à interrompre la circulation pour rien. De telles fausses alarmes pour suspicion de rail cassé alors que le rail est sain, sont pénalisantes tant pour l’exploitation de la voie ferrée que pour l’image de la technologie proposée. Il existe alors un besoin industriel pour des procédés et des dispositifs fiables pour la détection de défauts (usure, amorces de casse, casses franches) dans des rails, dans un environnement de circulation dense de trains. La présente invention répond à ce besoin. Un objet de la présente invention est un procédé (et un dispositif associé) qui est mis en œuvre pour inspecter l’état de santé de rails ferroviaires même lorsque la circulation sur ces rails est dense. Avantageusement, le système de la présente invention reste performant pour détecter des casses de rails même en cas de circulation dense de trains sur une voie. La solution proposée permet d’améliorer la robustesse d’un diagnostic de défauts de rail en présence de trains circulant sur une voie. Avantageusement, l’invention qui ne nécessite pas d’attendre qu’il s’offre une fenêtre temporelle sans passage de train pour inspecter une section de voie, peut être déployée sur des zones à forte circulation de trains, et ainsi permet d’augmenter la surveillance des voies très fréquentées. Pour obtenir les résultats recherchés, il est proposé un procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, ce dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge. Le procédé est mis en œuvre par ordinateur et comprend les étapes consistant à: - (602, 604) réaliser entre un transducteur émetteur et un transducteur récepteur, au moins une opération d’émission et réception d’une onde ultrasonore guidée dans la structure allongée, ladite onde ultrasonore guidée correspondant à un signal modulé où le signal est un signal Y(-t) obtenu par retournement temporel d’un signal de calibration Y(t) acquis entre le transducteur récepteur et le transducteur émetteur, et où la modulation est un code initial de modulation prédéfini composé d’une séquence de bits à 0 et à 1 ; - (608) effectuer une corrélation mathématique entre le code initial de modulation prédéfini et le signal ‘s’ reçu par le transducteur récepteur, ou entre le code initial de modulation prédéfini et le signal moyenné des signaux reçus par le transducteur récepteur ; - (610) comparer le résultat de la corrélation à un seuil prédéfini ; et - (612) selon le résultat de la comparaison, déterminer s’il y a ou non un défaut dans la structure allongée entre le transducteur émetteur et le transducteur récepteur. L’invention peut être mise en œuvre selon des modes de réalisation alternatifs ou combinés. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l’étape d’émission et réception, une étape préliminaire de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur récepteur un signal et à recevoir un signal de calibration Y(t) par ledit transducteur émetteur. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l’étape d’émission et réception, une étape préliminaire de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur émetteur un signal et à recevoir un signal de calibration Y(t) par ledit transducteur récepteur, puis à communiquer le signal de calibration Y(t) au transducteur émetteur pour le stocker avant retournement temporel. Dans un mode de réalisation, l’étape préliminaire comprend de plus une étape consistant à définir un code initial de modulation du signal de calibration, composé d’une séquence de bits à -1 et à 1. Dans un mode de réalisation, le code initial de modulation comprend de plus une séquence de bits de correction d’erreur choisi soit comme un seul bit de parité, soit comme un code plus complexe, de type code de Hamming ou code de Golay. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend avant l’étape de corrélation, une étape de nettoyage du signal ‘s’ ou du signal moyenné , reçu par le transducteur récepteur, ladite étape de nettoyage comprenant une étape consistant à lisser le signal ‘s’ ou le signal moyenné à l’aide d’un filtre passe-bas pour supprimer des perturbations transitoires hautes-fréquences parasites très énergétiques. Dans un mode de réalisation, l’étape de lissage du signal ‘s’ ou du signal moyenné reçu, définit un signal lissé sur une moyenne mobile selon respectivement l’équation suivante : ou et où sont les échantillons temporels du signal reçu ‘s’ ou , et ‘N’ est le nombre d’échantillons sur lesquels est effectuée la moyenne mobile. Dans un mode de réalisation, le procédé comprend de plus une étape consistant à mettre à zéro les échantillons du signal reçu ‘s’ ou ou du signal lissé, dont l’amplitude en valeur absolue est inférieure à un seuil donné. Dans un mode de réalisation, l’étape de corrélation est réalisée selon l’équation suivante : où est le code constitué des bits envoyés aux instants , et est le signal reçu au transducteur récepteur ‘ s ’ , éventuellement moyenné et/ou nettoyé . Dans un mode de réalisation, l’étape de corrélation est remplacée par une étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage. Dans un mode de réalisation, l’étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une opération de seuillage. Dans un mode de réalisation, l’étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une procédure de traitement du signal telle qu’une transformée temps-fréquence ou par reconnaissance de motifs. Dans un mode de réalisation, l’étape de détermination de défaut comprend une étape de générer une alerte si le résultat de la comparaison est une valeur inférieure à un seuil prédéfini. L’invention concerne aussi un système pour la détection de défaut dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, un dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge, le système comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé de l’invention. Une utilisation particulière du système et du procédé de l’invention est pour des rails ferroviaires. L’invention concerne aussi un produit programme d’ordinateur qui comprend des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé de l’invention, lorsque le programme est exécuté sur un ordinateur. Description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit et des figures des dessins annexés dans lesquels : La illustre un contexte d’implémentation du dispositif de l’invention; La illustre les différents types d’ondes se propageant entre deux capteurs ; La illustre un exemple de la structure d’un nœud électronique permettant de mettre en œuvre le procédé de l’invention ; La illustre des signaux mesurés au niveau de quatre transducteurs lors du passage d’un train ; La et la illustrent un mode de réalisation d’un procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée, basé sur une approche de modulation / démodulation d’une communication par ondes élastiques guidées entre deux points ; La et la illustrent un mode de réalisation du procédé de l’invention. Procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, ce dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant les étapes consistant à : - (602, 604) réaliser entre un transducteur émetteur et un transducteur récepteur, au moins une opération d’émission et réception d’une onde ultrasonore guidée dans la structure allongée, ladite onde ultrasonore guidée correspondant à un signal modulé où le signal est un signal Y(-t) obtenu par retournement temporel d’un signal de calibration Y(t) acquis entre le transducteur récepteur et le transducteur émetteur, et où la modulation est un code initial de modulation prédéfini composé d’une séquence de bits à 0 et à 1 ; - (608) effectuer une corrélation mathématique entre le code initial de modulation prédéfini et le signal ‘s’ reçu par le transducteur récepteur, ou entre le code initial de modulation prédéfini et le signal moyenné des signaux reçus par le transducteur récepteur ; - (610) comparer le résultat de la corrélation à un seuil prédéfini ; et - (612) selon le résultat de la comparaison, déterminer s’il y a ou non un défaut dans la structure allongée entre le transducteur émetteur et le transducteur récepteur. Procédé selon la revendication 1 comprenant avant l’étape d’émission et réception, une étape préliminaire (601) de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur récepteur un signal et à recevoir un signal de calibration Y(t) par ledit transducteur émetteur. Procédé selon la revendication 1 comprenant avant l’étape d’émission et réception, une étape préliminaire (601) de calibration de chacun des dispositifs électroniques associés au transducteur émetteur et au transducteur récepteur, la calibration consistant à émettre depuis ledit transducteur émetteur un signal, à recevoir un signal de calibration Y(t) au niveau dudit transducteur récepteur, et à communiquer le signal de calibration audit transducteur émetteur pour le stocker avant retournement temporel. Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel l’étape préliminaire (601) comprend de plus une étape consistant à définir un code initial de modulation du signal de calibration, composé d’une séquence de bits à -1 et à 1. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le code initial de modulation comprend de plus une séquence de bits de correction d’erreur choisi soit comme un seul bit de parité, soit comme un code plus complexe, de type code de Hamming ou code de Golay. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant avant l’étape de corrélation, une étape (606) de nettoyage du signal ‘s’ ou du signal moyenné , reçu par le transducteur récepteur, ladite étape de nettoyage comprenant une étape consistant à lisser le signal ‘s’ ou le signal moyenné à l’aide d’un filtre passe-bas pour supprimer des perturbations transitoires hautes-fréquences parasites très énergétiques. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l’étape de lissage du signal ‘s’ ou du signal moyenné reçu, définit un signal lissé sur une moyenne mobile selon respectivement l’équation suivante : ou et où sont les échantillons temporels du signal reçu ‘s’ ou , et ‘N’ est le nombre d’échantillons sur lesquels est effectuée la moyenne mobile. Procédé selon la revendication 6 ou 7 comprenant de plus une étape consistant à mettre à zéro les échantillons du signal reçu ‘s’ ou ou du signal lissé, dont l’amplitude en valeur absolue est inférieure à un seuil donné. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’étape de corrélation (608) est réalisée selon l’équation suivante : où est le code constitué des bits envoyés aux instants , et est le signal reçu au transducteur récepteur, éventuellement moyenné et/ou nettoyé. Procédé pour la détection de défauts dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, ce dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge, le procédé étant mis en œuvre par ordinateur et comprenant les étapes consistant à : - (602, 604) réaliser entre un transducteur émetteur et un transducteur récepteur, au moins une opération d’émission et réception d’une onde ultrasonore guidée dans la structure allongée, ladite onde ultrasonore guidée correspondant à un signal modulé où le signal est un signal Y(-t) obtenu par retournement temporel d’un signal de calibration Y(t) acquis entre le transducteur récepteur et le transducteur émetteur, et où la modulation est un code initial de modulation prédéfini composé d’une séquence de bits à 0 et à 1 ; - une étape (606) de nettoyage du signal ‘s’ ou du signal moyenné , reçu par le transducteur récepteur, ladite étape de nettoyage comprenant une étape consistant à lisser le signal ‘s’ ou le signal moyenné à l’aide d’un filtre passe-bas pour supprimer des perturbations transitoires hautes-fréquences parasites très énergétiques ; - (608) effectuer une détection des pics du signal obtenu après nettoyage ; - (610) comparer le résultat de la détection à un seuil prédéfini ; et - (612) selon le résultat de la comparaison, déterminer s’il y a ou non un défaut dans la structure allongée entre le transducteur émetteur et le transducteur récepteur. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l’étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une opération de seuillage. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l’étape de détection des pics du signal obtenu après nettoyage se fait avec une procédure de traitement du signal telle qu’une transformée temps-fréquence ou par reconnaissance de motifs. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’étape (612) de détermination de défaut comprend une étape de générer une alerte si le résultat de la comparaison est une valeur inférieure à un seuil prédéfini. Système pour la détection de défaut dans une structure allongée agissant comme guide d’ondes ultrasonores, ladite structure allongée étant instrumentée d’une pluralité de transducteurs aptes à acquérir des signaux de mesure de grandeurs caractéristiques d’ondes ultrasonores guidées se propageant dans ladite structure allongée, chaque transducteur étant couplé à un dispositif électronique installé le long de ladite structure, un dispositif électronique étant configuré pour traiter des signaux de mesure reçus d’au moins un transducteur, l’ensemble des dispositifs électroniques étant synchronisés sur une même horloge, le système comprenant des moyens pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13. Utilisation du système de la revendication 14 pour des rails ferroviaires. Produit programme d’ordinateur, ledit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code permettant d’effectuer les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.