Brevet FR3127579A1 — publié le 20230331

Procédé de détection d’un défaut dans une région d’intérêt au sein d’une pièce à tester, comprenant les étapes suivantes : a) pour une pièce de référence identique à la pièce à tester mais dépourvue de défaut, a1) détermination d’un ensemble de modes de résonance définissant chacun : - une fréquence de résonance de la pièce de référence en considérant que le module d’élasticité de la pièce de référence est constant, et - un champ de contraintes mécaniques sur et/ou dans la pièce de référence générées lorsque la pièce de référence est en résonance à ladite fréquence de résonance ; a2) sélection du mode de résonance, qualifié de « mode de résonance optimal », générant, dans la région d’intérêt, une contrainte mécanique maximale ; b) détermination d’un mode de sollicitation, dit « optimal », activant principalement ledit mode de résonance optimal, un mode de sollicitation définissant au moins une onde d’excitation, une zone d’injection de l’onde d’excitation dans la pièce de référence, et une zone de sortie où une onde de sortie résultant de la traversée de l’onde d’excitation depuis la zone d’injection jusqu’à la zone de sortie est captée ; c) analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal, de manière à déterminer un paramètre de non-linéarité pour chacune desdites pièces à tester et de référence ; d) classement de la pièce à tester en fonction de la différence entre les paramètres de non-linéarité pour la pièce à tester et pour la pièce de référence. PROCEDE DE DETECTION D’UN DEFAUT PAR ULTRASONS L’invention concerne un procédé de détection d’un défaut dans une pièce, en particulier une pièce céramique ou vitrocéramique. Etat de la technique La détection de défauts internes dans une pièce par analyse d’ondes acoustique est connue. La méthode la plus ancienne consiste à mesurer et analyser la vitesse de transmission d’une onde acoustique dans la pièce. Son champ d’application est cependant limité à des pièces de forme simple et constituées en un matériau homogène et uniforme. On sait également analyser l’atténuation de l’onde acoustique injectée, par analyse linéaire, c'est-à-dire en considérant que, dans un environnement déterminé, les fréquences de résonance dépendent exclusivement de la pièce, à savoir de sa forme et de son matériau constitutif (qui détermine la célérité des ondes). Ce type d’analyse a montré cependant également ses limites pour discriminer des pièces de structure complexe ou en un matériau hétérogène. La spectroscopie de résonance ultrasonore non linéaire (ou « Nonlinear reso nant ultrasound spectroscopy » en anglais ou « NRUS ») ou, plus généralement la spectroscopie de résonance acoustique non linéaire (ou « Nonlinear resonant acoustic spectroscopy » en anglais ou « NRAS ») sont des méthodes plus récentes exploitant le fait que le module d’élasticité du matériau constituant la pièce n’est pas constant, mais varie en fonction des contraintes mécaniques générées dans la pièce par l’onde d’excitation. Les fréquences de résonance dépendent ainsi de l’amplitude de l’onde d’excitation. Cette méthode repose en particulier sur une analyse de l’évolution du spectre de fréquences de résonance en fonction de l’amplitude de l’onde injectée. Typiquement, si, dans un mode de sollicitation déterminé, - f o est la première fréquence de résonance linéaire de la pièce, c'est-à-dire en considérant que le module d’élasticité de la pièce est constant, la fréquence de résonance linéaire étant classiquement évaluée par simulation numérique ou mesurée par analyse de la réponse à l’injection d’une onde de faible amplitude dans ledit mode de sollicitation , et - f est la fréquence de résonance mesurée pour des ondes de plus grande amplitude de l’onde d’excitation, la méthode évalue le décalage fréquentiel |f-f o |/f o en fonction de ladite amplitude. Elle exploite ensuite une différence d’évolution du décalage fréquentiel selon la présence ou l’absence d’un endommagement, comme décrit dans US6330827B1. La demande FR2960061A1 décrit une utilisation de la technique NRUS pour explorer le domaine de l'élasticité non linéaire de matériaux tels que les roches. Cependant, les inventeurs ont découvert que l’application de la technique NRUS décrite dans l’art antérieur n’est pas toujours fiable, notamment si la pièce est de forme complexe. En outre, en présence simultanée de plusieurs défauts, par exemple des défauts de type physique (comme une fissure) et chimique (comme un changement local de composition élémentaire ou de phase cristallographique), les décalages fréquentiels induits par ces défauts peuvent se compenser. Il existe donc un besoin pour un procédé de détection d’un défaut dans une pièce présentant une fiabilité améliorée, même quand cette pièce présente une géométrie et/ou une structure interne complexe(s) ou qu’elle présente plusieurs défauts. Un but de l’invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de détection d’un défaut dans une région d’intérêt au sein d’une pièce à tester, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) pour une pièce de référence identique à la pièce à tester mais dépourvue de défaut, a1) de préférence par simulation numérique, détermination d’un ensemble de modes de résonance définissant chacun : - une fréquence de résonance de la pièce de référence en considérant que le module d’élasticité de la pièce de référence est constant, et - un champ de contraintes ou de déformations mécaniques sur et/ou dans la pièce de référence générées lorsque la pièce de référence est en résonance à ladite fréquence de résonance ; a2) sélection du mode de résonance, qualifié de « mode de résonance optimal », générant, dans la région d’intérêt, une contrainte ou une déformation mécanique maximale par rapport aux autres modes de résonance ; b) détermination d’un mode de sollicitation, dit « optimal », activant principalement ledit mode de résonance optimal, un mode de sollicitation définissant au moins une onde d’excitation, une zone d’injection de l’onde d’excitation dans la pièce de référence, et une zone de sortie où une onde de sortie résultant de la traversée de l’onde d’excitation depuis la zone d’injection jusqu’à la zone de sortie est captée ; c) analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal, de manière à déterminer un paramètre de non-linéarité pour chacune desdites pièces à tester et de référence ; d) classement de la pièce à tester en fonction de la différence entre les paramètres de non-linéarité pour la pièce à tester et pour la pièce de référence. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, les inventeurs ont découvert que la sélection d’une fréquence de résonance optimale en fonction de la région d'intérêt améliore considérablement la fiabilité de la détection d’un défaut par spectroscopie de résonance non linéaire quand cette dernière est réalisée à partir d’un mode de sollicitation activant principalement le mode de résonance correspondant. En particulier, la détection est fiable pour une pièce de forme ou de structure interne complexe. De manière remarquable, la focalisation sur la région d'intérêt conduit à déterminer une fréquence de résonance optimale qui n’est pas nécessairement la fréquence de résonance qui conduit au plus de contraintes ou de déformations mécaniques de la pièce de référence considérée dans son ensemble. L’analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal peut être classiquement réalisée en appliquant à la pièce considérée (à tester ou de référence) le mode de sollicitation optimal et des modes de sollicitation dérivés qui ne diffèrent du mode de sollicitation optimal que par l’amplitude de l’onde d’excitation injectée. On examine ensuite l’évolution de la fréquence de résonance, à partir de la fréquence de résonance optimale, sous l’effet de l’évolution de ladite amplitude, pour déterminer le paramètre de non-linéarité. Pour la pièce de référence, l’application d’un mode de sollicitation peut être réalisée sur la pièce elle-même ou sur un modèle numérique de la pièce. De préférence, un procédé selon l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : à l’étape a1), les modes de résonance sont déterminés par simulation numérique, la modélisation de la pièce de référence prenant en compte les dimensions et la géométrie de la pièce de référence, la masse volumique apparente du matériau constituant la pièce de référence, le module d’élasticité dudit matériau, et le coefficient de Poisson dudit matériau ; à l’étape a2), on compare des modèles numériques tridimensionnels de la pièce de référence représentant chacun un champ desdites contraintes ou desdites déformations mécaniques généré lorsque la pièce de référence est en résonance à une fréquence de résonance respective ; le volume de la région d'intérêt est inférieur à 0,2 fois et supérieur à 0,01 fois le volume de la pièce de référence ; les étapes a) et b) sont réalisées simultanément, la recherche du mode de sollicitation optimal étant réalisée de la manière suivante : - simulation numérique d’une pluralité de modes de sollicitation, la simulation numérique déterminant pour chaque mode de sollicitation, un champ de contraintes mécaniques dans la pièce de référence et une onde de sortie théorique (c'est-à-dire une simulation de l’onde de sortie dans ce mode de sollicitation) ; - analyse des champs de contraintes mécaniques et des ondes de sortie théoriques de manière à sélectionner, comme mode de sollicitation optimal, le mode de sollicitation générant, dans la région d’intérêt, une contrainte mécanique ou une déformation maximale et mettant en résonance la pièce de référence ; à l’étape c), le paramètre de non-linéarité est la pente d’une droite représentative de l’évolution d’un décalage de fréquence en fonction de l’évolution de l’amplitude de l’onde de sortie lorsque ladite amplitude de l’onde de sortie est modifiée, de préférence augmentée, depuis le mode de sollicitation optimal, le décalage de fréquence, pour une amplitude de l’onde de sortie, étant le rapport de la valeur absolue de la différence entre la fréquence de résonance optimale (f 0 ) dans le mode de résonance optimal et la fréquence de résonance (f) déterminée pour ladite amplitude de l’onde de sortie, divisé par la fréquence de résonance optimale (f 0 ) ; à l’étape d), on compare le paramètre de non-linéarité de la pièce à tester à un seuil déterminé à partir du paramètre de non-linéarité de la pièce de référence, puis on classe la pièce à tester en fonction de la différence entre le paramètre de non-linéarité de la pièce à tester et le seuil, de préférence en fonction du signe de ladite différence ; le défaut est un espace vide au sein de la pièce à tester, ou un espace rempli par un matériau différent du reste de la pièce à tester ; la pièce est en un matériau inorganique ; la pièce est en un métal, de préférence fritté, un matériau céramique, un matériau vitrocéramique ou en un mélange de ces matériaux, en particulier un composite ; dans le mode de sollicitation optimal, le pic principal d’un spectre de fréquence de l’onde de sortie est à une fréquence comprise entre 1 Hz et 200 KHz, de préférence inférieure à 100 KHz, de préférence supérieure à 20 KHz ; l’onde de sortie est à une onde acoustique ; ladite pièce à tester est choisie parmi : - un bloc ou linteau de gorge, - un bloc de cuve, - une brique ou un bloc de mur ou de côté, - un bloc de coin ou d’angle, - une brique à nez, - un bloc ou une dalle de sole, - une brique ou un sommier de voute, - une brique ou un bloc d’entourage de tuyère, - une brique de trou ou chenal de coulée, - un bloc porte électrode, - une pièce de bec réfractaire de four verrier, - un bloc d’injecteur, - une gorge de four de verrerie, - une pièce d’un échangeur thermique du four, - une plaque ou une tuile réfractaire d’un revêtement de chaudière, - une coquille de protection de tube de réchauffeur d’un incinérateur, - une tuile d’un incinérateur, - une pièce céramique d’un absorbeur solaire, - une tuile ou une pièce de protection d’une chambre de turbine de combustion. La déformation d’une pièce est le résultat de l’application d’une contrainte mécanique correspondante. Dans le cadre de la présente invention, les contraintes mécaniques et les déformations mécaniques sont donc équivalentes. Dans un souci de clarté, la suite de la description n’évoque que les contraintes mécaniques. Cette description est cependant applicable pour des déformations mécaniques. L’invention concerne également un procédé de tri de pièces extérieurement identiques fabriquées sur une ligne de production, dans lequel on met en œuvre un procédé de détection selon l’invention pour chaque pièce, considérée comme une pièce à tester, les étapes a) et b) et l’analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal réalisée sur la pièce de référence étant de préférence communes à l’ensemble des pièces. L’ensemble de pièces peut comporter par exemple plus de 10, plus de 100 ou plus de 1000 pièces à tester. L’invention concerne enfin un dispositif de détection destiné à la détection d’un défaut dans une pièce à tester, le dispositif comportant : - un résonateur apte à injecter, dans la pièce à tester, une onde d’excitation à travers une zone d’injection de la pièce à tester ; - un récepteur apte à capter une onde de sortie à travers un zone de sortie de la pièce à tester, l’onde de sortie résultant de la traversée de la pièce à tester par l’onde d’excitation ; - un ordinateur connecté au récepteur de manière à recevoir l’onde de sortie, l’ordinateur ayant une mémoire dans laquelle est enregistré un paramètre de non-linéarité résultant d’une analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire réalisée, conformément à l’étape c), à partir d’un mode de sollicitation optimal déterminé conformément aux étapes a) et b), pour une pièce de référence identique à la pièce à tester mais dépourvue de défaut, l’ordinateur étant programmé pour - réaliser une dite analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire pour la pièce à tester, à partir du mode de sollicitation optimal conformément à l’étape c), de manière à déterminer le paramètre de non-linéarité pour ladite pièce à tester, puis - déterminer une différence entre les paramètres de non-linéarité pour la pièce à tester et pour la pièce de référence, puis - classer la pièce à tester en fonction de ladite différence. Dans un mode de réalisation préféré, le paramètre de non-linéarité pour la pièce de référence est déterminé avec l’ordinateur, conformément aux étapes a) et b). Bien entendu, les caractéristiques optionnelles des étapes a) à d) décrites pour un procédé selon l’invention sont applicables aux étapes correspondantes mises en œuvre par l’ordinateur. De préférence, l’opérateur procède de la manière suivante : - réalisation des étapes a) et b) et, pour la pièce de référence, de l’étape c) ; - positionnement du résonateur et du récepteur sur les zones d’injection et de sortie, respectivement ; - injection de l’onde d’excitation de manière à solliciter la pièce à tester suivant le mode de sollicitation optimal ; - lancement d’un programme de l’ordinateur de manière à exécuter l’étape c) pour la pièce à tester, puis l’étape d). Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l’examen du dessin annexé dans lequel : - la est une photo d’une pièce céramique de forme complexe, en l’occurrence une photo d’une pièce de cuvette d’avant-corps d’un four de verrier ; - la représente, pour une pièce parallélépipédique rectangle, les modèles enrichis pour six modes de résonance ; - la illustre schématiquement un mode de sollicitation optimal de ladite pièce parallélépipédique rectangle, ainsi qu’un dispositif de détection selon l’invention ; - la représente une partie d’un spectre de fréquence pour l’onde de sortie reçue en zone de sortie dans le mode de sollicitation optimal de la ; - la illustre l’évolution du décalage fréquentiel, en ordonnées, en fonction de l’amplitude de l’onde de sortie, pour huit pièces en corindon à liaison nitrure de même forme, en partant, pour réaliser l’analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire, d’un mode de sollicitation non optimal, selon la technique antérieure, (graphique de gauche) et d’un mode de sollicitation optimal, selon l’invention (graphique de droite, les deux ovales en traits interrompus regroupant les pièces présentant un défaut (« crack ») et les pièces ne présentant pas de défaut (« sound »), respectivement ; - la fournit les paramètres non-linéaires définis à partir des graphiques de gauche (graphique de gauche de la ) et de droite (graphique de droite de la ) de la , respectivement ; - la représente, pour la pièce objet du premier exemple, les modèles enrichis pour quatre modes de résonance ; - la illustre la sélectivité que permet un procédé selon l’invention, comme décrit pour le deuxième exemple. Sur les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou similaires. Définitions L’amplitude d’une onde est classiquement la hauteur du pic principal d’un spectre de fréquence de ladite onde, le pic principal étant le pic le plus élevé. Sauf indication contraire, tous les pourcentages relatifs aux compositions sont des pourcentages en masse. La porosité totale est classiquement égale à 100 x (densité absolue – densité apparente) / densité absolue. Les mesures de la densité apparente sont effectuées suivant la norme ISO5017 sur un barreau prélevé à cœur de la pièce, en zone saine. La densité absolue est classiquement mesurée sur poudre broyée, au moyen d’un pycnomètre à hélium. « Comporter », « présenter » ou « comprendre » doivent être interprétés de manière large, non limitative. Procédé de détection d’un défaut dans une région d’intérêt (9) au sein d’une pièce à tester, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) pour une pièce de référence (2) identique à la pièce à tester mais dépourvue de défaut, a1) détermination d’un ensemble de modes de résonance définissant chacun : - une fréquence de résonance de la pièce de référence en considérant que le module d’élasticité de la pièce de référence est constant, et - un champ de contraintes ou de déformations mécaniques sur et/ou dans la pièce de référence générées lorsque la pièce de référence est en résonance à ladite fréquence de résonance ; a2) sélection du mode de résonance, qualifié de « mode de résonance optimal », générant, dans la région d’intérêt, une contrainte ou une déformation mécanique maximale par rapport aux autres modes de résonance ; b) détermination d’un mode de sollicitation, dit « optimal », activant principalement ledit mode de résonance optimal, un mode de sollicitation définissant au moins une onde d’excitation, une zone d’injection de l’onde d’excitation dans la pièce de référence, et une zone de sortie où une onde de sortie résultant de la traversée de l’onde d’excitation depuis la zone d’injection jusqu’à la zone de sortie est captée ; c) analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal, de manière à déterminer un paramètre de non-linéarité pour chacune desdites pièces à tester et de référence ; d) classement de la pièce à tester en fonction de la différence entre les paramètres de non-linéarité pour la pièce à tester et pour la pièce de référence. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, à l’étape a1), les modes de résonance sont déterminés par simulation numérique, la modélisation de la pièce de référence prenant en compte les dimensions et la géométrie de la pièce de référence, la masse volumique apparente du matériau constituant la pièce de référence, le module d’élasticité dudit matériau, et le coefficient de Poisson dudit matériau. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape a2), on compare des modèles numériques tridimensionnels de la pièce de référence représentant chacun un champ desdites contraintes ou déformations mécaniques généré lorsque la pièce de référence est en résonance à une fréquence de résonance respective. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le volume de la région d'intérêt est inférieur à 0,2 fois et supérieur à 0,01 fois le volume de la pièce de référence. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes a) et b) sont réalisées simultanément, la recherche du mode de sollicitation optimal étant réalisée de la manière suivante : - simulation numérique d’une pluralité de modes de sollicitation, la simulation numérique déterminant pour chaque mode de sollicitation, un champ de contraintes mécaniques dans la pièce de référence et une onde de sortie théorique ; - analyse des champs de contraintes mécaniques et des ondes de sortie théoriques de manière à sélectionner, comme mode de sollicitation optimal, le mode de sollicitation générant, dans la région d’intérêt, une contrainte mécanique maximale et mettant en résonance la pièce de référence. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape c), le paramètre de non-linéarité est la pente d’une droite représentative de l’évolution d’un décalage de fréquence en fonction de l’évolution de l’amplitude de l’onde de sortie lorsque ladite amplitude de l’onde de sortie est modifiée, de préférence augmentée, depuis le mode de sollicitation optimal, le décalage de fréquence, pour une amplitude de l’onde de sortie, étant le rapport de la valeur absolue de la différence entre la fréquence de résonance optimale (f 0 ) dans le mode de résonance optimal et la fréquence de résonance (f) déterminée pour ladite amplitude de l’onde de sortie, divisé par la fréquence de résonance optimale (f 0 ). Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel, à l’étape d), on compare le paramètre de non-linéarité de la pièce à tester à un seuil déterminé à partir du paramètre de non-linéarité de la pièce de référence, puis on classe la pièce à tester en fonction de la différence entre le paramètre de non-linéarité de la pièce à tester et le seuil, de préférence en fonction du signe de ladite différence. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le défaut est un espace vide au sein de la pièce à tester, ou un espace rempli par un matériau différent du reste de la pièce à tester. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est en un matériau inorganique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est en un métal, un matériau céramique, un matériau vitrocéramique ou en un mélange de ces matériaux. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans le mode de sollicitation optimal, le pic principal d’un spectre de fréquence de l’onde de sortie est à une fréquence comprise entre 1 Hz et 100 KHz. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’onde de sortie est à une onde acoustique. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite pièce à tester est choisie parmi : - un bloc ou linteau de gorge, - un bloc de cuve, - une brique ou un bloc de mur ou de côté, - un bloc de coin ou d’angle, - une brique à nez, - un bloc ou une dalle de sole, - une brique ou un sommier de voute, - une brique ou un bloc d’entourage de tuyère, - une brique de trou ou chenal de coulée, - un bloc porte électrode, - une pièce de bec réfractaire de four verrier, - un bloc d’injecteur, - une gorge de four de verrerie, - une pièce d’un échangeur thermique du four, - une plaque ou une tuile réfractaire d’un revêtement de chaudière, - une coquille de protection de tube de réchauffeur d’un incinérateur, - une tuile d’un incinérateur, - une pièce céramique d’un absorbeur solaire, - une tuile ou une pièce de protection d’une chambre de turbine de combustion. Procédé de tri de pièces extérieurement identiques fabriquées sur une ligne de production, dans lequel on met en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes pour chaque pièce, considérée comme une pièce à tester, les étapes a) et b) et l’analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire à partir du mode de sollicitation optimal réalisée sur la pièce de référence étant de préférence communes à l’ensemble des pièces. Dispositif de détection destiné à la détection d’un défaut dans une pièce à tester, le dispositif comportant : - un résonateur (5) apte à injecter, dans la pièce à tester, une onde d’excitation à travers une zone d’injection (7) de la pièce à tester ; - un récepteur (6) apte à capter une onde de sortie à travers un zone de sortie de la pièce à tester, l’onde de sortie résultant de la traversée de la pièce à tester par l’onde d’excitation ; - un ordinateur (4) connecté au récepteur de manière à recevoir l’onde de sortie, l’ordinateur ayant une mémoire dans laquelle est enregistré un paramètre de non-linéarité résultant d’une analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire réalisée, conformément à l’étape c) d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, à partir d’un mode de sollicitation optimal déterminé conformément aux étapes a) et b) dudit procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour une pièce de référence identique à la pièce à tester mais dépourvue de défaut, l’ordinateur étant programmé pour - réaliser une dite analyse par spectrométrie de résonance non-linéaire pour la pièce à tester, à partir du mode de sollicitation optimal conformément à l’étape c), de manière à déterminer le paramètre de non-linéarité pour ladite pièce à tester, puis, conformément à une étape d) dudit procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, - déterminer une différence entre les paramètres de non-linéarité pour la pièce à tester et pour la pièce de référence, puis - classer la pièce à tester en fonction de ladite différence.