L’émission acoustique est une technique expérimentale permettant de caractériser l’endommagement des matériaux. Cette technique consiste en l’enregistrement des ondes acoustiques libérées lors de l’évolution de l’endommagement. En effet, lors de la sollicitation d’un matériau, celui-ci libère de l’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires. Deux capteurs piézoélectriques sont utilisés afin de détecter ces ondes transitoires. Un gel couplant est généralement utilisé entre l’éprouvette et les capteurs afin d’assurer une bonne transmission de l’onde. Ainsi, ces ondes mécaniques sont transformées en signaux électriques acquis via un logiciel d’émission acoustique.
L’émission acoustique est un phénomène irréversible, dans le sens où aucune onde ne sera émise tant que le niveau de charge n’aura pas atteint le niveau de contrainte maximum déjà vu par la structure. Ce phénomène se nomme l’effet Kaiser. Cependant, pour une structure endommagée, la charge à partir de laquelle les évènements acoustiques seront de nouveau émis est inférieure à la charge maximale déjà vue par la structure. Ce phénomène est l’effet Felicity et on peut définir le rapport Felicity par ⁄ .
L’émission acoustique peut se caractériser par des salves ayant un caractère oscillatoire, on parle alors d’émission acoustique par salves. Lorsque les salves d’émissions sont très nombreuses et se superposent, on observe une augmentation du bruit de fond. On parle alors d’émission acoustique continue.
L’endommagement des matériaux composites à matrice organique se caractérise par une émission acoustique par salves. L’enregistrement des salves d’émissions acoustiques peut être un moyen de suivre l’apparition et l’évolution d’endommagements des composites [48, 73]. Ces salves sont enregistrées lorsque le niveau acoustique émis dépasse un seuil. Ce seuil est généralement fixé par l’utilisateur de manière à ne pas enregistrer les bruits parasites. La difficulté principale du suivi par émission acoustique est d’associer ces salves enregistrées à un certain type d’endommagement.
Différentes méthodes d’analyse des salves enregistrées peuvent être utilisées : l’analyse spectrale, l’analyse paramétrique ou l’analyse multiparamétrique.
L’analyse spectrale se base sur la transformée de Fourier pour caractériser les salves d’émissions acoustiques. La transformée de Fourier permet de décomposer une fonction non périodique en somme de fonctions sinusoïdales et permet donc d’extraire une fréquence propre à un phénomène émissif. De nombreux auteurs [74-76] ont étudié le contenu fréquentiel de ces salves et ont montré que l’on pouvait classer les différents phénomènes en fonction des gammes de fréquences. On peut
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associer les fréquences faibles à de la fissuration matricielle alors que les hautes fréquences sont plutôt liées à des ruptures de fibres. Les fréquences médianes sont plutôt associées dans l’ordre à des pull-out ou à des décohésions. Les valeurs de ces fréquences sont dépendantes du matériau et du type d’essai effectué, ainsi, pour un composite carbone-époxy, les fréquences correspondantes à la fissuration matricielle sont de 90 à 180 kHz, 180 à 240 kHz pour les pull-out, 240 à 300kHz pour les décohésions et supérieures à 300 kHz pour les ruptures de fibres [77].
Les analyses paramétrique et multiparamétrique consistent en l’étude des paramètres des salves pour déterminer à quel type de phénomènes elles sont dues. Ces salves sont caractérisées par de nombreux paramètres (Figure 3-2) dont on peut citer les principaux :
la durée, temps écoulé entre le premier et le dernier dépassement du seuil,
l’amplitude maximale atteinte pendant la salve,
le temps de montée, temps écoulé entre le dépassement du seuil et l’instant où l’amplitude est maximale,
le nombre de coups, nombre de fois où le seuil est dépassé durant la salve,
l’énergie, intégrale de l’amplitude au carré sur la durée de la salve.
Figure 3-2 : Principaux paramètres d'une salve d'émission acoustique
L’analyse paramétrique se focalise sur l’étude d’un seul paramètre pour associer la salve à un type d’endommagement. Le paramètre le plus utilisé pour ce type d’étude est l’amplitude de la salve [78-80]. De la même manière que pour l’analyse spectrale, les études réalisées ont montré que chaque type d’endommagement pouvait être caractérisé par une gamme d’amplitude, dépendante du matériau et du type de chargement. Par exemple, Barré et al. [80] associent, pour un composite à
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gamme d’amplitude comprise entre 40 et 55 dB à de la fissuration matricielle, la gamme d’amplitude comprise entre 60 et 65 dB à des décohésions, la gamme d’amplitude comprise entre 65 et 85 dB aux pull-out et la gamme d’amplitude comprise entre 85 et 95 dB aux ruptures de fibres. Maxime Bertin, dans ces travaux de thèse [28], associe, pour des composites carbone / époxy, la gamme d’amplitude comprise entre 35 dB et 58 dB à de la fissuration matricielle et les ruptures de fibres à des salves d’amplitude supérieure à 70 dB.
Cette technique permet le classement rapide de chaque évènement acoustique dans une classe.
Cependant, Huguet et al. [79] ont montré qu’il pouvait y avoir un recouvrement des gammes pour différents types d’endommagements. On peut alors utiliser une étude multiparamétrique.
L’analyse multiparamétrique permet de prendre en compte plusieurs paramètres pour caractériser une salve. Différentes méthodes existent pour classer les salves avec ce type d’analyse.
On peut, par exemple, utiliser une méthode supervisée, telle que les k-plus proches voisins ou la méthode de Fisher. Ces méthodes nécessitent un apprentissage des classes à l’aide de données d’apprentissage. Les classes sont alors connues et les salves à classer sont alors affectées à l’une des classes. A contrario, les méthodes non supervisées, telles que la méthode des k-moyennes [81] ou le réseau de neurones de Kohonen, ne nécessitent pas d’apprentissage préalable. La méthode des k- moyennes est une méthode itérative permettant de classer les salves en un nombre de classes défini par l’utilisateur. Initialement, les classes sont définies aléatoirement par leur centre. Chaque salve est attribuée à la classe la plus proche, puis le centre de chaque classe est recalculé à partir de données classées, les salves sont alors reclassées en fonction des nouveaux centres et ce jusqu’à stabilisation des centres des classes. Par exemple, Godin et al. [82] ont utilisé la méthode des k-moyennes pour classer des données d’émissions acoustiques issues d’essais de traction sur des composites verre/polyester. Cette classification a ensuite été utilisée comme base d’apprentissage pour la méthode des k-plus proches voisins.
Lors de cette étude, le système PCI-2 de Physical Acoustics est utilisé pour l’émission acoustique.
Les ondes émises lors des essais sont captées à l’aide de deux capteurs résonant PAC micro80 de diamètre 10mm qui présentent une sensibilité importante sur la bande de fréquence comprise entre 100 kHz et 1MHz. Ces capteurs présentent une résonnance à 300 kHz. Ils sont reliés à une carte d’acquisition par l’intermédiaire de préamplificateurs de 40 dB. Les capteurs sont fixés par des pinces sur la face des éprouvettes. Le couplage entre l’éprouvette et les capteurs est réalisé à l’aide d’un gel silicone. La localisation des évènements acoustiques est possible avec deux capteurs sur une éprouvette de largeur faible. Pour cela, il est nécessaire de connaître la vitesse de propagation des ondes dans le matériau. Cette détermination est réalisée à partir des mesures de la distance entre les
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deux capteurs et de la différence de temps de détection entre les deux capteurs d’un cassé de mine en graphite (source de Hsu Nielsen). Dans cette étude, deux capteurs sont utilisés pour différencier les échos provenant de la partie utile de l’éprouvette, des échos provenant de la partie serrée dans les mors, des talons ou des bruits de la machine.
Pour l’acquisition des salves, différents paramètres d’acquisition doivent être réglés, tels que le seuil, le « Peak Definition Time » (PDT), le « Heat Definition Time » et le « Hit Lockout Time ». Ces paramètres correspondent respectivement à l’amplitude minimale de détection, au temps de montée maximale d’une salve, à la durée maximale d’une salve et au temps d’aveuglement du système pour éviter les échos secondaires. Ils ont été fixés respectivement à 35 dB, 200 µs, 800 µs et 1000 µs. Les caractéristiques des salves enregistrées sont l’amplitude, le temps de montée, la durée, le nombre de coups et l’énergie. L’analyse a été réalisée par une méthode multiparamétrique (méthode des k-moyennes) ou par une méthode paramétrique (étude de l’amplitude). En effet, les résultats obtenus ont montré qu’il était possible de trier de manière assez précise les évènements par leur amplitude. De plus, l’analyse multiparamétrique est une étude beaucoup plus longue et complexe à réaliser. Cette étude ne se focalisant pas tout particulièrement sur le traitement des signaux d’émission acoustique, l’étude paramétrique a été retenue pour le traitement systématique des données.
Cet outil va nous permettre de suivre l’activité acoustique dans l’éprouvette représentative dans le but de pouvoir quantifier l’influence de la température sur la cinétique d’endommagement.