N° d’ordre 02ISAL0087 Année 2002

Thèse

Application de classificateurs aux données d’émission acoustique :

identification de la signature acoustique des mécanismes d’endommagement

dans les composites à matrice polymère

Présentée devantL’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Pour obtenirLe grade de docteur

Formation doctorale : Génie des matériaux…………………………………………École doctorale : Matériaux de Lyon

Par

Stéphane HUGUET

Soutenue le 13 décembre 2002 devant la Commission d’examen

Jury MM.

Directeur Roger GAERTNERNathalie GODIN

PrésidentRapporteur Jacques LAMON

Marc LETHIECQExaminateurs Laurent SALMON

Pierre FLEISCHMANN

Thèse préparée au laboratoire GEMPPM de l’INSA de Lyon

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MARS 2002

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON

Directeur : STORCK.A

Professeurs :AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEBABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENT IONISANTSBABOUX J.C. GEMPPM***BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIEREBAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSBARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIEREBASTIDE J.P. LAEPSI****BAYADA G. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEBENADDA B. LAEPSI****BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEBIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSBLANCHARD J.M. LAEPSI****BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEBOIVIN M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES SOLIDESBOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement UrbainBOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement UrbainBOULAYE G. (Prof. émérite) INFORMATIQUEBOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDESBRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtimentBREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIEREBRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEBRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDESBRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONBUREAU J.C. CEGELY*CAVAI LLE J.Y. GEMPPM***CHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applicationsCHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineCOMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTSCOUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresDAUMAS F. (Mme) CETHIL – Energétique et ThermiqueDOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUEDUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURESDUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIEREEMPTOZ H. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONESNOUF C. GEMPPM***EYRAUD L. (Prof. émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEFANTOZZI G. GEMPPM***FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERSFAYARD J.M. BIOLOGIE APPLIQUEEFAYET M. MECANIQUE DES SOLIDESFERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURESFLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTSFLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONFOUGERES R. GEMPPM***FOUQUET F. GEMPPM***FRECON L. INFORMATIQUEGERARD J.F. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESGERMAIN P. LAEPSI****GIMENEZ G. CREATIS**GOBIN P.F. (Prof. émérite) GEMPPM***GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGONTRAND M. CEGELY*- Composants de puissance et applicationsGOUTTE R. (Prof. émérite) CREATIS**GOUJON L. GEMPPM***GOURDON R. LAEPSI****.GRANGE G. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEGUENIN G. GEMPPM***GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIEGUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIEREGUINET A. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS

GUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEGUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITEHEIBIG A. LAB. MATHEMATIQUE APPLIQUEES LYONJACQUET RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURESJAYET Y. GEMPPM***JOLION J.M. RECONNAISSANCE DES FORMES ET VISIONJULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresJUTARD A. (Prof. émérite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEKASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueKOULOUMDJIAN J. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONLAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELALANNE M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES STRUCTURESLALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermiqueLALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et thermique

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LAREAL P. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - GéotechniqueLAUGIER A. PHYSIQUE DE LA MATIERELAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIELEJEUNE P. GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESLUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTSMAZILLE H. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMERLE P. GEMPPM***MERLIN J. GEMPPM***MIGNOTTE A. (Mle) INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLEMILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLEMIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaineMOREL R. MECANIQUE DES FLUIDESMOSZKOWICZ P. LAEPSI****MOURA A. GEMPPM***NARDON P. (Prof. émérite) BIOLOGIE APPLIQUEENIEL E. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLENORTIER P. DREPODET C. CREATIS**OTTERBEIN M. (Prof. émérite) LAEPSI****PARIZET E. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPASCAULT J.P. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESPAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUEPELLETIER J.M. GEMPPM***PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - MatériauxPERRIAT P. GEMPPM***PERRIN J. ESCHIL – Equipe Sciences Humaines de l’Insa de LyonPINARD P. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIEREPINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONPONCET A. PHYSIQUE DE LA MATIEREPOUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUEPREVOT P. GRACIMP – Groupe de Recherche en Apprentissage, Coopération et Interfaces

Multimodales pour la ProductiquePROST R. CREATIS**RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et MatériauxREDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEREYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - StructuresRIGAL J.F. MECANIQUE DES SOLIDESRIEUTORD E. (Prof. émérite) MECANIQUE DES FLUIDESROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. émérite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMESROUBY D. GEMPPM***ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON – Thermique de l’HabitatRUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONRUMELHART C. MECANIQUE DES SOLIDESSACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et MatériauxSAUTEREAU H. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESSCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLESOUIFI A. PHYSIQUE DE LA MATIERESOUROUILLE J.L. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLETHOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLEUBEDA S. CENTRE D’INNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICESTHUDEROZ C. ESCHIL – Equipe Sciences Humaines de l’Insa de LyonUNTERREINER R. CREATIS**VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTSVIGIER G. GEMPPM***VINCENT A. GEMPPM***VRAY D. CREATIS**VUILLERMOZ P.L. (Prof. émérite) PHYSIQUE DE LA MATIERE

Directeurs de recherche C.N.R.S. :BERTHIER Y. MECANIQUE DES CONTACTSCONDEMINE G. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUECOTTE-PATAT N. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEFRANCIOSI P. GEMPPM***MANDRAND M.A. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUEPOUSIN G. BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEROCHE A. MATERIAUX MACROMOLECULAIRESSEGUELA A. GEMPPM***

Directeurs de recherche I.N.R.A. :FEBVAY G. BIOLOGIE APPLIQUEEGRENIER S. BIOLOGIE APPLIQUEERAHBE Y. BIOLOGIE APPLIQUEE

Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. :PRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIEMAGNIN I. (Mme) CREATIS**

* CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET D’APPLICATIONS EN TRAITEMENT DE L’IMAGE ET DU SIGNAL***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX****LAEPSI LABORATOIRE D’ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS

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INSA DE LYONDEPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALESET RELATIONS INTERNATIONALES SCIENTIFIQUESMARS 2002

Ecoles Doctorales et Diplômes d’Etudes Approfondies

habilités pour la période 1999-2003

ECOLES DOCTORALESn° code national

RESPONSABLE

PRINCIPALCORRESPONDANTINSA

DEA INSAn° code national

RESPONSABLEDEA INSA

CHIMIE DE LYON

(Chimie, Procédés, Environnement)

EDA206

M. D. SINOUUCBL104.72.44.62.63Sec 04.72.44.62.64Fax 04.72.44.81.60

M. R. GOURDON87.53Sec 84.30Fax 87.17

Chimie Inorganique910643

Sciences et Stratégies Analytiques910634

Sciences et Techniques du Déchet910675

M. R. GOURDONTél 87.53 Fax 87.17

ECONOMIE, ESPACE ETMODELISATION DESCOMPORTEMENTS

(E2MC)

EDA417

M.A. BONNAFOUSLYON 204.72.72.64.38Sec 04.72.72.64.03Fax 04.72.72.64.48

Mme M.ZIMMERMANN84.71Fax 87.96

Villes et Sociétés911218

Dimensions Cognitives et Modélisation992678

Mme M. ZIMMERMANNTél 84.71 Fax 87.96

M. L. FRECONTél 82.39 Fax 85.18

ELECTRONIQUE,ELECTROTECHNIQUE,AUTOMATIQUE

(E.E.A.)

EDA160

M. G.GIMENEZINSA DE LYON83.32Fax 85.26

Automatique Industrielle910676

Dispositifs de l’Electronique Intégrée910696

Génie Electrique de Lyon910065

Images et Systèmes992254

M. M. BETEMPSTél 85.59 Fax 85.35

M. D. BARBIERTél 85.47 Fax 60.81

M. J.P. CHANTETél 87.26 Fax 85.30

Mme I. MAGNINTél 85.63 Fax 85.26

EVOLUTION, ECOSYSTEME,MICROBIOLOGIE , MODELISATION

(E2M2)

EDA403

M. J.PFLANDROISUCBL104.78.86.31.50Sec 04.78.86.31.52Fax 04.78.86.31.49

M. S. GRENIER79.88Fax 85.34

Analyse et Modélisation des Systèmes Biologiques910509

M. S. GRENIERTél 79.88 Fax 85.34

INFORMATIQUE ET INFORMATIONPOUR LA SOCIETE

(EDIIS)

EDA 407

M. J.M. JOLIONINSA DE LYON87.59Fax 80.97

Documents Multimédia, Images et Systèmesd’Information Communicants992774Extraction des Connaissances à partir des Données992099

Informatique et Systèmes Coopératifs pour l’Entreprise950131

M. A. FLORYTél 84.66 Fax 85.97

M. J.F. BOULICAUTTél 89.05 Fax 87.13

M. A. GUINETTél 85.94 Fax 85.38

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE

(EDISS)

EDA205

M. A.J.COZZONEUCBL104.72.72.26.72Sec 04.72.72.26.75Fax 04.72.72.26.01

M. M. LAGARDE82.40Fax 85.24

Biochimie930032

M. M. LAGARDETél 82.40 Fax 85.24

MATERIAUX DE LYON

UNIVERSITE LYON 1

EDA 034

M. J. JOSEPHECL04.72.18.62.44Sec 04.72.18.62.51Fax 04.72.18.60.90

M. J.M.PELLETIER83.18Fax 84.29

Génie des Matériaux : Microstructure, ComportementMécanique, Durabilité910527

Matériaux Polymères et Composites910607

Matière Condensée, Surfaces et Interfaces910577

M. J.M.PELLETIERTél 83.18 Fax 85.28

M. H. SAUTEREAUTél 81.78 Fax 85.27

M. G. GUILLOTTél 81.61 Fax 85.31

MATHEMATIQUES ETINFORMATIQUE FONDAMENTALE

(Math IF)

EDA 409

M. NICOLASUCBL104.72.44.83.11Fax 04.72.43.00.35

M. J. POUSIN88.36Fax 85.29

Analyse Numérique, Equations aux dérivées partielleset Calcul Scientifique910281

M. G. BAYADATél 83.12 Fax 85.29

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIECIVIL, ACOUSTIQUE

(MEGA)

EDA162

M. J.BATAILLEECL04.72.18.61.56Sec 04.72.18.61.60Fax 04.78.64.71.45

M. G.DALMAZ83.03Fax 04.72.89.09.80

Acoustique910016

Génie Civil992610

Génie Mécanique992111

Thermique et Energétique910018

M. J.L. GUYADERTél 80.80 Fax 87.12

M. J.J.ROUXTél 84.60 Fax 85.22

M. G. DALMAZTél 83.03Fax 04.78.89.09.80

M. J. F. SACADURATél 81.53 Fax 88.11

En grisé : Les Ecoles doctorales et DEA dont l’INSA est établissement principal

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5HPHUFLHPHQWV

Ce travail a été réalisé au Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de

Physique des Matériaux de l’INSA de Lyon, dont je remercie les directeurs successifs,

Roger Fougères et Jean-Yves Cavaillé, pour m’y avoir accueilli.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à Nathalie Godin et Roger Gaertner, qui

m’ont suivi et assisté dans ce travail, qui n’ont pas ménagé leurs efforts pour qu’il

puisse aboutir favorablement.

Je remercie l’entreprise E.D.F qui a financé ce travail, et tout particulièrement

Daniel Villard et Laurent Salmon, du centre E.D.F des Renardières, qui ont suivi et

assisté ce projet.

Je remercie Jean-Claude Baboux qui m’a accueilli au sein du Centre de

Caractérisation Non-Destructive des Matériaux, et toute l’équipe du centre qui a

contribué à rendre agréables les années passées en son sein.

Enfin je tiens à remercier MM. Lamon, Lethiecq et Fleishmann, d’avoir accepté

de faire partie de mon jury de thèse.

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7DEOH�GHV�PDWLqUHV

,QWURGXFWLRQ ��

&KDSLWUH�,�²�%LEOLRJUDSKLH ��

1. Matériaux composites_____________________________________________________20

1.1 Généralités ________________________________________________________________ 201.1.1 Résines ________________________________________________________________________ 201.1.2 Fibres de verre __________________________________________________________________ 21

1.2 Endommagement ___________________________________________________________ 221.2.1 Les ruptures de fibres _____________________________________________________________ 221.2.2 Fissurations de matrice ____________________________________________________________ 221.2.3 Décohésions interfaciales __________________________________________________________ 231.2.4 Influence de la direction de sollicitation sur les modes de rupture des composites unidirectionnels _ 23

1.3 Vieillissement hygrothermique ________________________________________________ 241.3.1 Cinétique de sorption _____________________________________________________________ 241.3.2 Dépendance en température ________________________________________________________ 251.3.3 Phénomènes non-fickiens__________________________________________________________ 251.3.4 Effets de l’eau sur les propriétés du composite _________________________________________ 25

2. Emission Acoustique _____________________________________________________27

2.1 Généralités ________________________________________________________________ 27

2.2 Les principales sources d’émission acoustique ___________________________________ 28

2.3 Effet Kaiser et le rapport Felicity______________________________________________ 29

2.4 Acquisition des signaux ______________________________________________________ 29

2.5 Localisation des sources______________________________________________________ 29

2.6 Les paramètres exploitables __________________________________________________ 30

3. Identification de la signature acoustique des sources dans les matériaux composites :analyse conventionnelle _____________________________________________________32

3.1 Travaux sur le contenu fréquentiel des ondes ____________________________________ 32

3.2 Identification des sources par les paramètres des salves ___________________________ 34

4. Analyse statistique multivariable ____________________________________________37

4.1 Quelques grandeurs caractéristiques d’une classe ________________________________ 37

4.2 Classificateur, classifications supervisées, classifications non supervisées _____________ 38

4.3 Evaluation des distances _____________________________________________________ 40

4.4 Méthode de discrimination par les k-moyennes __________________________________ 414.4.1 Présentation de la technique ________________________________________________________ 414.4.2 Validation du choix du nombre de classes _____________________________________________ 42

4.5 Méthode de discrimination par les k-plus proches voisins__________________________ 43

4.6 Réseaux de neurones ________________________________________________________ 434.6.1 Généralités _____________________________________________________________________ 444.6.2 La carte topologique de Kohonen____________________________________________________ 45

4.7 Applications à l’identification des sources en Emission Acoustique __________________ 48

5. Synthèse et methodologie developpee ________________________________________52

7DEOH GHV PDWLqUHV

- 8 -

&KDSLWUH�,,���0DWpULDX[�HW�WHFKQLTXHV ��

1. Présentation des matériaux ________________________________________________57

1.1 Composite à matrice polyester ________________________________________________ 571.1.1 Constituants ____________________________________________________________________ 571.1.2 Elaboration _____________________________________________________________________ 581.1.3 Propriétés ______________________________________________________________________ 58

1.2 Composites à matrice époxy __________________________________________________ 591.2.1 Constituants ____________________________________________________________________ 591.2.2 Elaboration _____________________________________________________________________ 601.2.3 Propriétés ______________________________________________________________________ 60

1.3 Vieillissement hygrothermique ________________________________________________ 611.3.1 Composite à matrice polyester ______________________________________________________ 611.3.2 Composites à matrice époxy________________________________________________________ 62

1.4 Composites monofilamentaires à matrice polyester _______________________________ 62

2. Conditions expérimentales _________________________________________________63

2.1 Essais mécaniques __________________________________________________________ 632.1.1 Matériel utilisé et conditions d’essais_________________________________________________ 632.1.2 Eprouvettes de traction ____________________________________________________________ 63

2.2 Caractérisation de l’endommagement post-mortem ______________________________ 65

2.3 Acquisition de l’émission acoustique ___________________________________________ 662.3.1 Capteurs et chaîne d’acquisition_____________________________________________________ 662.3.2 Paramétrages du logiciel d’acquisition________________________________________________ 67

&KDSLWUH� ,,,� �� ,GHQWLILFDWLRQ� H[SpULPHQWDOH� GH� OD� VLJQDWXUH

DFRXVWLTXH�GHV�GLIIpUHQWHV�VRXUFHV�G·HQGRPPDJHPHQW ��

1. Composite unidirectionnel à matrice polyester _________________________________72

1.1 Essais de traction sur résine __________________________________________________ 72

1.2 Essais de traction sur composite UD à 90° par rapport à la direction des fibres________ 741.2.1 Comportement mécanique et endommagement _________________________________________ 741.2.2 Emission acoustique ______________________________________________________________ 76

1.3 Essais de traction sur composite polyester UD à 45° par rapport à l’axe des fibres_____ 791.3.1 Comportement mécanique et endommagement _________________________________________ 791.3.2 Emission acoustique ______________________________________________________________ 81

1.4 Essais de traction sur composite monofilamentaire _______________________________ 831.4.1 Essai sur résine seule _____________________________________________________________ 831.4.2 Essais de traction sur microcomposites matrice polyester-fibre de verre______________________ 841.4.3 Essai de traction interrompu ________________________________________________________ 88

2. Composite unidirectionnel à matrice polyester vieilli ____________________________90

2.1 Essais de traction sur résine polyester vieillie ____________________________________ 90

2.2 Essais de traction à 90° par rapport à l’axe des fibres _____________________________ 912.2.1 Comportement en traction _________________________________________________________ 912.2.2 Emission acoustique ______________________________________________________________ 92

2.3 Essais de traction à 45° par rapport à l’axe des fibres _____________________________ 942.3.1 Comportement mécanique et endommagement _________________________________________ 942.3.2 Emission acoustique ______________________________________________________________ 96

3. Composite unidirectionnel à matrice époxy____________________________________97

3.1 Essais de traction sur résine époxy_____________________________________________ 97

7DEOH GHV PDWLqUHV

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3.2 Essais de traction à 90° et 45° par rapport aux fibres _____________________________ 99

3.3 Effet du vieillissement hygrothermique ________________________________________ 102

4. Récapitulatif des essais et resultats _________________________________________104

&KDSLWUH� ,9� �� &ODVVLILFDWLRQ� GHV� VLJQDX[� G·($� SDU� DQDO\VHV

VWDWLVWLTXHV�PXOWLYDULDEOHV ���

1. Calcul des paramètres pertinents___________________________________________109

2. Analyse statistique multivariable par la méthode des k plus proches voisins ________111

2.1 Séparation des signaux par la méthode des k moyennes __________________________ 111

2.2 Cinétiques d’évolution par les k plus proches voisins_____________________________ 1142.2.1 Evaluation du nombre k de voisins à prendre en compte _________________________________ 1142.2.2 Application de l’algorithme des k plus proches voisins __________________________________ 115

3. Analyse des données a l’aide de la carte auto-organisatrice de Kohonen ___________117

3.1 Caractéristiques de la carte__________________________________________________ 117

3.2 Application aux essais de traction sur composite unidirectionnel à matrice polyester _ 1203.2.1 Phase d’apprentissage____________________________________________________________ 1203.2.2 Visualisation de la topologie obtenue et phase d’étiquetage ______________________________ 1203.2.3 Application de la carte de Kohonen _________________________________________________ 1213.2.4 Cinétiques d’évolution en cours d’essais _____________________________________________ 123

4. Extension aux essais sur microcomposites ___________________________________126

4.1 Phase d’apprentissage ______________________________________________________ 126

4.2 Topologie obtenue et phase d’étiquetage _______________________________________ 126

4.3 Activations pour les différents essais __________________________________________ 127

&KDSLWUH�9���$SSOLFDWLRQ�GHV�FODVVLILFDWHXUV�j�GHV�FRPSRVLWHV

VWUDWLILpV�j�SOLV�FURLVpV 129

1. Composites à matrice polyester ____________________________________________131

1.1 Résultats mécaniques_______________________________________________________ 131

1.2 Emission acoustique________________________________________________________ 132

2. Composites statifiés à matrice époxy ________________________________________134

2.1 Résultats mécaniques_______________________________________________________ 134

2.2 Emission acoustique________________________________________________________ 137

3. Analyse statistique ______________________________________________________138

3.1 Paramètres caractéristiques du réseau et phase d’apprentissage ___________________ 138

3.2 Topologie obtenue _________________________________________________________ 139

3.3 Mise en évidence de la topologie par les k-moyennes _____________________________ 139

3.4 Etiquetage des zones de la carte ______________________________________________ 141

3.5 Application de la carte de Kohonen : chronologie d’apparition des différentes classes _ 143

�&RQFOXVLRQ ���

- 10 -

/LVWH�GHV�WDEOHDX[�HW�ILJXUHV

&KDSLWUH�,�²�%LEOLRJUDSKLH

Figure I.1 : Rupture de fibre au sein d’un composite unidirectionnel ________________________________ 22Figure I.2 : Initiation (a) et propagation (b) de la fissuration matricielle au sein d’un composite unidirectionnel_______________________________________________________________________________________ 23Figure I.3 : Schéma de la chaîne d’émission acoustique, de la création de l’onde mécanique à la visualisation dusignal EA _______________________________________________________________________________ 27Figure I.4 : Différentes géométries d’échantillons et positionnements de capteurs permettant la localisation dessources d’émission acoustique ______________________________________________________________ 30Figure I.5 : Principaux paramètres mesurés en temps réel sur une salve d’émission acoustique ___________ 31Tableau I.1 : Synthèse des zones d’amplitude associées aux différents modes de rupture dans la bibliographie 36Figure I.7 : Schéma de principe d’un nœud constitutif des réseaux de neurones ________________________ 44Figure I.8 : Schéma d’une carte de Kohonen ___________________________________________________ 46Tableau I.2 : Synthèse des principaux travaux utilisant des classificateurs pour traiter les données d’EA ____ 51Figure I.9 : Schématisation de la méthodologie employée _________________________________________ 55

&KDSLWUH�,,���0DWpULDX[�HW�WHFKQLTXHV

Tableau II.1 : Caractéristiques des plaques composites à matrice polyester ___________________________ 58Tableau II.2 : Caractéristiques des plaques composites à matrice époxy et de leurs constituants ___________ 60Figure II.1 : Courbes de sorption des plaques polyester __________________________________________ 61Figure II.2 : Courbes de sorption des plaques époxy _____________________________________________ 62Figure II.3 : Schéma des éprouvettes de résine__________________________________________________ 64Figure II.4 : Les différents types d’éprouvettes composites ________________________________________ 64Tableau II.3 : Les différents matériaux et échantillons utilisés pour l’étude ___________________________ 65Figure II.5 : Dimensions des échantillons microcomposites________________________________________ 65Figure II.6 : Disposition des capteurs sur les éprouvettes : (a) résine ou microcomposite ; (b) compositeunidirectionnel ou à plis croisés _____________________________________________________________ 66Tableau II.4 : Paramètres d’acquisition du système Mistras _______________________________________ 67Figure II.7 : Courbe de calibration fournie par Euro Physical Acoustics des capteurs PAC micro80 _______ 67Tableau II.5 : Vitesse des ondes selon le type d’échantillon ________________________________________ 68Figure II.8 : Atténuation des ondes en fonction de la distance source/capteur pour le composite polyestersollicité dans la direction de 90° par rapport à l’axe des fibres _____________________________________ 69

&KDSLWUH� ,,,� �� ,GHQWLILFDWLRQ� H[SpULPHQWDOH� GH� OD� VLJQDWXUH

DFRXVWLTXH�GHV�GLIIpUHQWHV�VRXUFHV�G·HQGRPPDJHPHQW

Tableau III.1 : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction sur résine polyester à l’étatsain. ___________________________________________________________________________________ 72Figure III.1 : Courbe contrainte/déformation () pour un essai sur résine polyester – suivi de l’activitéDFRXVWLTXH �� __________________________________________________________________________ 72Figure III.2 : A) Distribution d’ amplitude, B) Signal caractéristique de l’émission acoustique collectée surrésine polyester à l’état sain ________________________________________________________________ 73Figure III.3 : Localisation des salves durant l’essai de traction sur résine polyester à l’état sain __________ 74Tableau III.2 : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction composite unidirectionnel àmatrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres ________________________ 75Figure III.4 : Courbe contrainte/déformation () avec suivi de l’activité acoustique (� SRXU OH FRPSRVLWHunidirectionnel à matrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres __________ 75Figure III.5 : Micrographie d’une coupe longitudinale perpendiculaire aux fibres d’un échantillon compositeunidirectionnel à matrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres __________ 76Figure III.6 : Localisation des salves au cours d’un essai de traction sur composite unidirectionnel à matricepolyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres ______________________________ 77Figure III.7 : Distributions d’ amplitude a) résine polyester à l’état sain sollicitée en traction b) compositeunidirectionnel à matrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres __________ 77Figure III.8 : Evolution en fonction du temps de la distribution d’ amplitude pour le composite unidirectionnel àmatrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres ________________________ 77Tableau III.3 : Paramètres moyens caractéristiques de l’émission acoustique enregistrée lors des essais surrésine polyester à l’état sain et sur composite polyester UD sollicité dans le sens transverse aux fibres _____ 78

/LVWH GHV WDEOHDX[ HW ILJXUHV

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Figure III.9 : Signaux appartenant à la gamme d’amplitudes 50 - 70 dB pour a) la résine polyester b) lecomposite sain polyester UD sollicité à 90° par rapport à l’axe des fibres ____________________________ 78Figure III.10 : Signal de type B : essai de traction sur composite sain polyester UD sollicité à 90° par rapport àl’axe des fibres___________________________________________________________________________ 79Tableau III.4 : : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction composite unidirectionnelà matrice polyester à l’état sain, sollicité à 45° par rapport à l’axe des fibres _________________________ 80Figure III.11 : Courbe de traction () avec suivi de l’activité acoustique () sur composite sain polyester UDsollicité à 45° par rapport à l’axe des fibres____________________________________________________ 80Figure III.12 : Micrographie d’une coupe transversale d’un échantillon composite unidirectionnel à matricepolyester à l’état sain, sollicité à 45° par rapport à l’axe des fibres _________________________________ 81Figure III.13 : Localisation des sources en fonction du temps pour un essai de traction sur compositeunidirectionnel à matrice polyester à l’état sain, sollicité dans le sens perpendiculaire aux fibres __________ 82Figure III.14 : Distributions d’amplitude des signaux obtenus lors des essais (a) dans le sens perpendiculaireaux fibres et (b) en traction déviée à 45° sur composite unidirectionnel à matrice polyester à l’état sain_____ 83Figure III.15 : Courbe contrainte / déformation enregistrée lors de l’essai de traction sur résine polyester à70 °C à l’état sain ________________________________________________________________________ 84Figure III.16 : Courbe contrainte / déformation et suivi de l’activité acoustique lors d’ un essai defragmentation : les salves d’émission acoustique (∆) sont représentées par leur amplitude _______________ 85Figure III.17 : Localisation des salves d’émission acoustique en fonction du temps lors d’un essai defragmentation ___________________________________________________________________________ 85Tableau III.5 : Paramètres caractéristiques de l’émission acoustique pour les essais de traction surmicrocomposites fibre de verre/matrice polyester________________________________________________ 86Figure III.18 : Distributions d’amplitudes des signaux reçus lors des essais de fragmentation sur compositemonofilamentaire fibre de verre/matrice polyester _______________________________________________ 86Figure III.19 : Signaux de type C observés lors des essais de fragmentation sur composite monofilamentairefibre de verre / matrice polyester ____________________________________________________________ 86Figure III.20 : Cliché obtenu en microscopie optique d’un échantillon de fragmentation (grossissement x100) 87Figure III.21 : Mise en évidence d’une décohésion associée à la rupture de fibre (grossissement x1000) ____ 87Tableau III.6 : Comparaison entre le nombre de ruptures de fibres et le nombre de salves provenant de lalongueur utile des échantillons ______________________________________________________________ 88Tableau III.7 : Comparaison entre le nombre de signaux reçus et le nombre de ruptures de fibres observées aucours d’un essai interrompu ________________________________________________________________ 89Figure III.22 : Courbe contrainte/déformation pour un échantillon de résine polyester après vieillissementhygrothermique (stade 2) __________________________________________________________________ 90Figure III.23 : Courbe contrainte/déformation () avec suivi de l’activité acoustique (� SRXU XQ HVVDL GHtraction à 90° par rapport à l’axe des fibres après vieillissement hygrothermique (stade 2) _______________ 91Figure III.24 : Localisation des sources émisives lors d’un essai de traction sur composite UD sollicité à 90° parrapport à l’axe des fibres après vieillissement (stade 2)___________________________________________ 92Figure III.25 : Distributions d’amplitude pour les essais sur composite unidirectionnel verre/polyester sollicité à90°par rapport à l’axe des fibres a) composite sain, b) après vieillissement stade 1, c) après vieillissement stade2______________________________________________________________________________________ 93Figure III.26 : Signaux caractéristiques de la zone d’amplitude inférieure à 70 dB sur composite vieilli sollicitéà 90 ° par rapport à l’axe des fibres __________________________________________________________ 93Figure III.27 : Signaux caractéristiques de la zone d’amplitude 70-100 dB sur composite vieilli sollicité à 90 °par rapport à l’axe des fibres _______________________________________________________________ 93Tableau III.8 : Paramètres acoustiques caractéristiques des signaux de type A et de type B dans les différentsétats du composite UD polyester sollicité à 90° par rapport à l’axe des fibres _________________________ 94Figure III.28 : Courbe contrainte/déformation () avec suivi de l’activité acoustique (� SRXU XQ HVVDL GHtraction sur composite à matrice polyester UD sollicité à 45° par rapport l’axe des fibres après vieillissement(stade2) ________________________________________________________________________________ 95Figure III.29 : Micrographie d’une coupe transervale d’un échantillon UD après traction à 45° par rapport àl’axe des fibres, après vieillissement (stade 2) __________________________________________________ 95Figure III.30 : Distribution d’amplitude des signaux reçus sur composite UD sollicité à 45° par rapport à l’axedes fibres après vieillissement hygrothermiquement (stade2). ______________________________________ 96Figure III.31 : Localisation des sources pour un essai de traction sur composite UD sollicité à 45° par rapport àl’axe des fibres après vieillissement (stade 2) ___________________________________________________ 97Tableau III.9 : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction sur résine époxy_______ 98Figure III.32 : Courbe contrainte/déformation pour un essai de traction sur résine époxy (durcisseur anhydride)_______________________________________________________________________________________ 98Tableau III.10 : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction sur compositeunidirectionnel à matrice époxy ____________________________________________________________ 100Figure III.33 : Courbe contrainte/déformation () avec suivi de l’activité acoustique (� SRXU XQ HVVDL GHtraction sur composite à matrice époxy anhydride UD sollicité à 90° par rapport l’axe des fibres_________ 100Figure III.34 : Courbe contrainte/déformation () avec suivi de l’activité acoustique (� SRXU XQ HVVDL GHtraction sur composite à matrice époxy anhydride UD sollicité à 45° par rapport l’axe des fibres_________ 100

/LVWH GHV WDEOHDX[ HW ILJXUHV

- 12 -

Figure III.35 : Distribution d’amplitude pour les essais à 90° par rapport à l’axe des fibres, composite UDépoxy à durcisseur anhydride ______________________________________________________________ 101Figure III.36 : Distribution d’amplitude et formes d’ondes visualisées pour les essais à 45° par rapport à l’axedes fibres, composite UD époxy à durcisseur anhydride__________________________________________ 102Figure III.37 : Distribution d’amplitude des signaux reçus lors des essais de traction à 45° par rapport auxfibres sur composite époxy anhydride dégradé hygrothermiquement (stade 1) ________________________ 103 Tableau III.11 : Signatures acoustiques mises en évidence sur matériaux à base polyester ______________ 105Tableau III.12 : Signatures acoustiques mises en évidence sur matériaux à base époxy 106

&KDSLWUH� ,9� �� &ODVVLILFDWLRQ� GHV� VLJQDX[� G·($� SDU� DQDO\VHV

VWDWLVWLTXHV�PXOWLYDULDEOHV

Figure IV.1 : Détermination des paramètres des formes d’ondes a) logiciel MISTRAS, b) méthode retenue _ 109Tableau IV.1 : Comparaison des paramètres calculés par Mistras et recalculés sur les formes d’onde pour unessai sur UD dans le sens travers.___________________________________________________________ 110Figure IV.2 : Projections en nombre de coups/temps de montée (a) et amplitude/durée (b) des signauxd’émission acoustique ____________________________________________________________________ 113Figure IV.3 : Distributions d’amplitude pour les deux classes de signaux différenciées par la méthode des k-moyennes ______________________________________________________________________________ 113Tableau IV.2 : Paramètres moyens caractéristiques des deux classes de signaux différenciées par la méthode desk- moyennes____________________________________________________________________________ 114Tableau IV.3 : Erreur de classification exprimée en % en fonction de différentes valeurs de k lors de l’utilisationde la technique des k plus proches voisins ____________________________________________________ 115Tableau IV.4 : Répartition des signaux en deux classes par la méthode des 7 plus proches voisins pour troistypes d’essais___________________________________________________________________________ 116Figure IV.4 : Chronologies d’apparition des deux types de signaux, en fonction du temps, lors des essais detraction à 90° et à 45° par rapport à l’axe des fibres. ___________________________________________ 116Figure IV.5 : Schéma de principe de la carte de Kohonen ________________________________________ 118Figure IV.6 : Schéma d’une carte de Kohonen représentant les neurones affectés par le voisinage pour desvaleurs de 1 et 2 ________________________________________________________________________ 119Tableau IV.5 : Résultat du test pour l’étiquetage des zones I, II et III._______________________________ 121Figure IV.7 : Visualisation par la méthode NP-SOM de la topologie du réseau formé après la phased’apprentissage : les zones sombres représentent les distances les plus fortes entre les neurones _________ 121Tableau IV.6 : Activations de la carte de Kohonen pour différents essais ____________________________ 123Figure IV.8 : Evolution des deux modes d’endommagement au cours des essais de traction déviée pour lescomposites unidirectionnel à matrice polyester à l’état sain : (a) sollicité à 45° par rapport aux fibres ; (b)sollicité à 90° par rapport aux fibres ________________________________________________________ 124Figure IV.9 : Evolution des deux modes d’endommagement au cours d’un essai de traction sur compositeunidirectionnel à matrice polyester à l’état vieilli (stade 2) sollicité à 45° par rapport aux fibres _________ 125Figure IV.10 : Evolution des deux modes d’endommagement au cours d’un essai de traction sur compositeunidirectionnel à matrice polyester à l’état vieilli (stade 2) sollicité à 90° par rapport aux fibres _________ 125Tableau IV.7 : Pourcentage de signaux classés dans chacune des trois zones pour des sélections de signaux detypes A, B et C __________________________________________________________________________ 127Figure IV.11 : Topologie du réseau formé après la phase d’apprentissage : les reliefs représentent les distancesmoyennes les plus fortes entre neurones ______________________________________________________ 127Figure IV.12 : Résultas d'activation de la carte : a) essai sur microcomposites, b) composite UD à matricepolyester sollicité à 45° par rapport à l’axe des fibres et c) composite UD à matrice polyester sollicité à 90° parrapport à l’axe des fibres _________________________________________________________________ 128

&KDSLWUH�9���$SSOLFDWLRQ�GHV�FODVVLILFDWHXUV�j�GHV�FRPSRVLWHV

VWUDWLILpV�j�SOLV�FURLVpV

Tableau V.1 : Principales caractéristiques obtenues à partir d’un essai de traction sur composites stratifiés pliscroisés à matrice polyester ________________________________________________________________ 131Figure V.1 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matricepolyester sollicité à ± 55° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E� GLVWULEXWLRQ G¶DPSOLWXGH______________________________________________________________________________________ 132Figure V.2 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matricepolyester sollicité à ± 35° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E� GLVWULEXWLRQ G¶DPSOLWXGH______________________________________________________________________________________ 132Figure V.3 : a) Signal de type A b) Signal de type B enregistrés lors d’un essai de traction sur compositesstratifiés plis croisés à matrice polyester _____________________________________________________ 133

/LVWH GHV WDEOHDX[ HW ILJXUHV

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Figure V.4 : Signaux de type D observés lors des essais de traction sur composites stratifiés à matrice polyester______________________________________________________________________________________ 133Figure V.5 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matriceépoxy, durcisseur anhydride, sollicité à ± 55° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E�distribution d’amplitude __________________________________________________________________ 134Figure V.6 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matriceépoxy, durcisseur anhydride, sollicité à ± 35° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E�distribution d’amplitude __________________________________________________________________ 135Figure V.7 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matriceépoxy, durcisseur amine, sollicité à ± 55° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E�distribution d’amplitude __________________________________________________________________ 135Figure V.8 : a) Courbe contrainte/déformation () pour un essai de traction sur composite stratifié à matriceépoxy, durcisseur amine, sollicité à ± 35° par rapport aux fibres – suivi de l’activité acoustique (�� E�distribution d’amplitude __________________________________________________________________ 135Tableau V.2 : Principales caractéristiques obtenues à partir des essais de traction sur composites stratifiés àplis croisés et matrice époxy _______________________________________________________________ 136Figure V.9 : Micrographie (MEB) d’une surface de rupture après traction sur composite stratifié à plis croisés± 55°, matrice époxy anhydride_____________________________________________________________ 136Figure V.10 : a) Signal de type A b) Signal de type B enregistrés lors d’un essai de traction sur compositesstratifiés plis croisés à matrice époxy ________________________________________________________ 137Figure V.11 : Signal de type D enregistré lors d’un essai de traction sur composites stratifiés à plis croisés,matrice époxy __________________________________________________________________________ 138Figure V.12 : Représentation par la méthode NP-SOM de la carte de Kohonen _______________________ 139Figure V.13 : Evolution du critère de Davies / Bouldin en fonction du nombre de classes _______________ 140Figure V.14 : Séparation par les k-moyennes des nœuds de la carte de Kohonen en trois classes de vecteurs depoids proches___________________________________________________________________________ 140Tableau V.3 : Pourcentages de signaux activant les zones de la carte pour des sélections de formes de signauxde types A, B ou D _______________________________________________________________________ 142Figure V.15 : Etiquetage des zones de la carte de Kohonen_______________________________________ 142Figure V.16 : Evolutions d’apparition des signaux dans les trois zones de la carte de Kohonen pour les essaissur composite à plis croisés ±55° et ±35° _____________________________________________________ 143

- 14 -

INTRODUCTION

,QWURGXFWLRQ

- 15 -

Les matériaux composites à matrice organique sont aujourd’hui largement utilisés

dans des domaines très divers (automobile, aéronautique, structures …). Le contrôle de

l’état de santé de ces matériaux en service est une nécessité. L’objectif poursuivi par

EDF est de développer des moyens de contrôle non destructif permettant de détecter,

sur site, l’endommagement de tuyauteries de centrales en matériau composite verre-

époxy. La technique à utiliser doit permettre de discriminer les deux modes

d’endommagement précurseurs du perlage de la tuyauterie : la décohésion fibre-matrice

et la fissuration matricielle. Les ruptures de fibres n’interviennent probablement que

lors d’une dégradation globale très avancée mettant en cause l’intégrité de la structure.

A terme, la technique développée devrait conduire à statuer sur le maintien en service

ou sur le remplacement des tubes endommagés. Dans ce contexte, l’émission acoustique

(EA) est un bon candidat car elle présente de nombreux avantages, entre autres celui

d’être un moyen de contrôle passif, applicable sur une structure en service, y compris

dans des conditions environnementales difficiles. Les installations étant naturellement

sous contraintes, la technique d’EA peut aisément être utilisée sans exiger une

infrastructure lourde. De plus, contrairement aux méthodes ultrasonores, l'EA ne

nécessite pas la désorption du matériau. Elle est d’ailleurs déjà en usage, aux Etats-

Unis, pour l’inspection de tuyauteries et de réservoirs en résine thermodurcissable

renforcée de fibres de verre (code CARP - norme ASTM E 1118), sans toutefois rendre

compte d’une analyse détaillée des modes d’endommagement.

La technique envisagée devant faire la preuve de sa capacité à discriminer les

modes d’endommagement durant toute la durée de service des installations,

l’identification des mécanismes sources doit être réalisée sur les matériaux à différents

stades de vieillissement. Aussi, une étude sera tout d’abord entreprise sur des matériaux

à base polyester dont le vieillissement hygrothermique est rapide avant d’être transposée

au cas des matériaux à base époxy utilisés industriellement. L’objectif de ce travail de

thèse n’est pas l’étude des matériaux et de leur endommagement mais l’analyse et le

traitement des données d’émission acoustique. C’est pourquoi la rédaction de ce

document est orientée principalement vers le traitement des données.

,QWURGXFWLRQ

- 16 -

Une démarche progressive consistant à travailler sur des matériaux de complexité

croissante a été mise en place. Les matériaux étudiés sont les suivants : résine polyester

ou époxy, composites monofilamentaires aussi appelés microcomposites consistant en

une fibre enrobée dans une gaine matricielle, composites unidirectionnels et composites

stratifiés à plis croisés. Des essais de traction monotone avec suivi et enregistrement de

l’émission acoustique ont été réalisés dans un premier temps sur des échantillons

modèles :

- échantillon de résine permettant d’obtenir la signature acoustique de

l’endommagement de la résine ;

- échantillon de composite unidirectionnel (UD) sollicité à 90° par rapport à l’axe

des fibres générant des endommagements matriciel et interfacial ;

- échantillon de composite unidirectionnel sollicité à 45° par rapport à l’axe des

fibres générant les mêmes endommagements en proportions différentes ;

- échantillon de composite monofilamentaire permettant d’obtenir la signature

acoustique de rupture de la fibre au sein d’une gaine matricielle.

L’objectif des essais sur échantillons écoles est l’identification de la signature

acoustique de trois modes d’endommagement : l’endommagement matriciel, la

décohésion fibre/matrice et la rupture de fibre.

La plupart des analyses des données d’émission acoustique est basée sur une

analyse conventionnelle utilisant les paramètres tels que le nombre de coups, l'énergie,

l'amplitude du signal et leur évolution avec un paramètre d’essai (temps, température,

charge….). Ce travail couple une analyse conventionnelle des données d’émission

acoustique à une analyse statistique multivariable. C'est pourquoi une méthodologie

nécessitant l’emploi de classificateurs, basée sur l'analyse du signal et l'identification de

la nature des sources d'EA, a été développée. L'objectif de cette analyse est une

classification des sources d'EA durant le processus d'endommagement en utilisant des

outils mathématiques de reconnaissance de forme tels que les k-plus proches voisins et

la carte auto-organisatrice de Kohonen. Les essais sur échantillons modèles ou écoles

vont permettre de définir le potentiel de ces analyses multivariables. Les deux

classificateurs utilisés à savoir les k-plus proches voisins et la carte auto-organisatrice

,QWURGXFWLRQ

- 17 -

de Kohonen seront ensuite appliqués à des matériaux plus complexes : les composites à

plis croisés.

Après une étude bibliographique (chapitre I), la présentation des matériaux et des

techniques expérimentales fait l’objet du chapitre II. L’analyse conventionnelle des

données d’EA est présentée dans le chapitre III. Elle va permettre d’identifier la

signature acoustique de certains mécanismes et d’apporter des éléments de réponse

concernant l’influence du vieillissement sur l’activité acoustique. L’analyse statistique

multiparamètres des signaux d’EA permettant d’élaborer un outil statistique apte à

discerner les modes d’endommagement en fonction des signaux reçus est exposée au

chapitre IV. Enfin les classificateurs seront appliqués à des stratifiés à plis croisés, plus

proches du matériau final que les échantillons modèles (chapitre V).

%LEOLRJUDSKLH

- 18 -

CHAPITRE I

BIBLIOGRAPHIE

%LEOLRJUDSKLH

- 19 -

Ce chapitre rassemble les éléments de la bibliographie nécessaire à l’étude. La première

partie de ce chapitre porte tout d’abord sur une présentation rapide des matériaux composites

à matrice polymère, en termes de comportement mécanique, d’endommagement, de

vieillissement hygrothermique. Cette partie est consacrée exclusivement aux composites

unidirectionnels en terme d’endommagement.

La deuxième partie de ce chapitre est consacrée à la technique d’émission acoustique

(EA) en présentant ses généralités ainsi que les principales applications, relatées dans la

littérature, orientées vers la discrimination des sources d’EA au sein d’un matériau composite.

Enfin, les techniques d’analyse statistiques sont présentées. Elles ont pour but d’extraire

parmi des jeux de données volumineux et complexes, les paramètres qui aideront à la

classification des données et donc à l’identification de la signature acoustique des différentes

sources d’endommagement. Bien évidemment tous les classificateurs ne seront pas décrits

dans ce document, seuls ceux utilisés dans le cadre de ce travail seront présentés.

%LEOLRJUDSKLH

- 20 -

1. MATERIAUX COMPOSITES

1.1 Généralités

Par définition, un matériau composite est constitué de l’assemblage de deux ou

plusieurs phases de propriétés différentes et complémentaires. Il s’agit le plus souvent d’un

renfort noyé au sein d’une matrice permettant d’obtenir un matériau aux propriétés

intermédiaires. Le renfort contribue à améliorer la résistance mécanique du matériau alors que

la matrice assure le double rôle d’élément de transfert des charges vers le renfort et de

protection de celui-ci.

1.1.1 Résines

Un matériau polymère se présente comme un enchevêtrement de chaînes

macromoléculaires constituées par la répétition d’un plus ou moins grand nombre d’unités

structurales. L’unité structurale est le plus petit motif reproductible. L’interaction entre

chaînes s’effectue de manières diverses : liaisons de Van der Waals ou pont hydrogène pour

les polymères thermoplastiques, réseau tridimensionnel avec nœuds de réticulation pour les

thermodurcissables.

Le principal avantage de l’emploi de tels matériaux réside dans leurs propriétés

particulières. En effet, la matrice se caractérise par une déformabilité suffisante pour

transmettre les sollicitations mécaniques vers le renfort tout en protégeant celui-ci des

agressions chimiques externes. En outre, elle présente l’avantage d’être chimiquement

réactive, ce qui permet l’établissement de liaisons fortes avec le renfort.

Selon les applications, on distingue deux familles de matrices polymères :

• Les résines thermoplastiques, de loin les plus employées du fait de leur faible

coût, peuvent être aisément mises en forme et recyclées par simple chauffage. Cette propriété

provient de la tendance qu’ont ces matériaux à polymériser en formant des réseaux linéaires,

donc de rigidité réduite. On peut citer comme exemples les polyamides, les polypropylènes et

les polyéthylènes.

%LEOLRJUDSKLH

- 21 -

• Les résines thermodurcissables polymérisent en formant des réseaux

tridimensionnels très difficiles à rompre, sinon par l’apport d’une importante quantité de

chaleur. Cette caractéristique confère à ces résines de meilleures performances

thermomécaniques que celles des matrices thermoplastiques, ce qui les destine prioritairement

à une utilisation comme matrice de composites. Les résines époxy et polyester entre autres,

qui seront utilisées dans cette étude, appartiennent à cette catégorie.

1.1.2 Fibres de verre

Le verre, sous forme massive, est caractérisé par une très grande fragilité attribuée à une

sensibilité élevée à la fissuration. En revanche, élaboré sous forme de fibres de faible diamètre

(quelques dizaines de microns), le verre perd ce caractère et possède alors de bonnes

caractéristiques mécaniques. Les fibres de verre sont élaborées à partir d’un verre filable,

appelé verre textile, composé de silice, d’alumine, chaux, magnésie, etc. Ces produits peu

coûteux, associés à des procédés d’élaboration assez simples, confèrent aux fibres de verre un

excellent rapport performances / prix, qui les place de loin au premier rang des renforts

utilisés actuellement dans les matériaux composites.

Suivant leur composition, différents types de verres peuvent être obtenus ; dans la

pratique, les verres de type E, utilisés dans cette étude, constituent la presque totalité du

tonnage de verre textile produit actuellement.

Les fibres issues de la filière ne peuvent pas être utilisées pour former les fils de base du

composite sans avoir subi un traitement d’ensimage destiné à assurer la cohésion entre elles, à

les protéger contre les risques de détérioration par la manipulation et l’abrasion, à les isoler de

l’humidité et à éviter la création de charges électrostatiques par frottement.

L’ensimage réalisé en sortie de filière est une opération qui consiste à déposer à la

surface des fibres un agent remplissant les fonctions précitées. En plus de ces exigences

propres aux fibres elles-mêmes, il a pour rôle de favoriser leur intégration dans la réalisation

de composites. Lors de la mise en œuvre, l’ensimage doit faciliter l’imprégnation des fibres

par la résine, c’est-à-dire augmenter le mouillage superficiel et assurer la pénétration de la

résine au cœur des filaments. En usage, il doit favoriser la liaison verre-résine dont dépendent

les performances mécaniques du composite, mais également le comportement du matériau au

vieillissement, sa résistance à l’humidité et à la corrosion.

%LEOLRJUDSKLH

- 22 -

1.2 Endommagement

Les mécanismes d’endommagement des composites unidirectionnels dépendent

essentiellement du mode de sollicitation [1-4]. Trois principaux modes d’endommagement

peuvent intervenir sur un composite unidirectionnel : les ruptures de fibres,

l’endommagement matriciel et la décohésion interfaciale.

1.2.1 Les ruptures de fibres

Les ruptures de fibres s’amorcent au niveau des défauts, quand la contrainte excède la

contrainte à rupture. Une rupture de fibre est représentée schématiquement sur la Figure I.1.

L’interface autour de la fibre peut également se rompre, entraînant un déchaussement de

celle-ci ; la zone touchée est alors le lieu d’une forte concentration de contraintes.

Figure I.1 : Rupture de fibre au sein d’un composite unidirectionnel

1.2.2 Fissurations de matrice

Ce phénomène se déroule en deux étapes (Figure I.2) : (a) des microfissurations

apparaissent au niveau de défauts présents dans la matrice (inclusions, porosités…) ; (b) une

fissure se propage ensuite selon la direction perpendiculaire à la sollicitation. Si la contrainte

en fond de fissure est suffisamment importante, la fissure peut provoquer, à l’arrivée à une

interface, une rupture de fibre ou un décollement interfacial (l’une de ces deux possibilités

sera favorisée par rapport à l’autre selon la plus ou moins bonne cohésion fibre / matrice).

%LEOLRJUDSKLH

- 23 -

a b

Figure I.2 : Initiation (a) et propagation (b) de la fissuration matricielle au sein d’un

composite unidirectionnel

1.2.3 Décohésions interfaciales

Chacun des mécanismes décrits précédemment s’accompagne en général de

décohésions aux interfaces fibre / matrice. De la qualité de l’adhésion à l’interface dépendra

grandement le mode de rupture lors d’un essai : en traction dans l’axe des fibres, par exemple,

une interface très résistante aura pour conséquence une rupture de type fragile (chaque rupture

de fibre s’accompagne d’une propagation de la fissure perpendiculairement à la contrainte) ;

en revanche si l’interface est faible le composite se comporte comme un faisceau de fibres

non liées (une fibre cassée ne participe plus à la résistance de l’ensemble).

1.2.4 Influence de la direction de sollicitation sur les modes de rupture descomposites unidirectionnels

• En traction dans l’axe des fibres les trois modes interviennent :

l’endommagement s’initie par des fissurations de matrice qui se développent ensuite

perpendiculairement aux fibres et entraînent des décohésions aux interfaces. L’accumulation

de l’endommagement crée des zones de concentration de contrainte qui provoquent en fin

d’essai la rupture des fibres et mène à la rupture finale.

• En traction perpendiculaire aux fibres, seules la matrice et les interfaces sont

sollicitées, des microfissures s’y développent au niveau des défauts ; la qualité d’adhésion

fibre / matrice détermine ensuite quel type de microfissures se propagera et provoquera la

rupture de l’échantillon.

%LEOLRJUDSKLH

- 24 -

• En traction déviée par rapport aux fibres, la matrice et les fibres sont toujours

sollicitées et peuvent être endommagées. La répartition entre les modes d’endommagement

varie en fonction de l’inclinaison des fibres par rapport à la direction de sollicitation. En

champ moyen, la contrainte de cisaillement maximum s’établit dans les directions inclinées

de 45° par rapport à l’axe de traction. Cette configuration est donc la plus favorable au

développement d’un endommagement interfacial par cisaillement [5-6].

1.3 Vieillissement hygrothermique

Nous ferons simplement ici les rappels nécessaires à la compréhension générale des

processus de dégradation des différents constituants du composite lors d’un vieillissement en

eau [7-13].

Au sein d’un matériau composite à matrice polymère, l’eau interagit, d’une part, avec la

matrice en volume, d’autre part, avec le renfort et les zones interfaciales. Les cinétiques de

diffusion de l’eau dans une résine homogène diffèrent de celles existant au sein d’une résine

renforcée.

Deux mécanismes peuvent contribuer au processus de sorption d’eau dans le polymère :

la fixation des molécules d’eau sur les sites actifs polaires du réseau macromoléculaire et la

diffusion à travers le volume libre et les microvides. Ces processus dépendent également

fortement des conditions externes : l’augmentation de la température a tendance à accélérer la

prise d’eau en modifiant les paramètres morphologiques et structuraux du matériau

(réarrangements moléculaires, relaxation des contraintes thermiques résiduelles).

1.3.1 Cinétique de sorption

La loi de Fick décrit la diffusion d’une espèce telle que l’eau dans un milieu présentant

un gradient de concentration. Elle se traduit à une échelle macroscopique par une relation

linéaire entre le flux du diffusant à travers une surface plane, de dimensions infinies par

rapport à l’épaisseur, et la dérivée seconde de la concentration perpendiculairement à cette

surface : 2

2

dx

cdD

dt

dcX= où c est la concentration en diffusant et DX le coefficient de diffusion.

%LEOLRJUDSKLH

- 25 -

D’après cette relation, un processus de diffusion fickienne suppose l’établissement d’un

palier de saturation sur les courbes de sorption. La solution de cette équation s’écrit :

πtD

eM

M X

e

t 4= où Mt est la masse d’eau sorbée au temps t, Me la masse à saturation et e

l’épaisseur de la plaque. Deux paramètres suffisent alors pour définir les propriétés de

diffusion du milieu : les masses d’eau absorbées à un temps t quelconque et à l’équilibre. Le

profil de sorption se caractérise par une dépendance linéaire du rapport Mt/Me en fonction de

la racine carrée du temps jusqu’à des valeurs de l’ordre de 0,5 à 0,6. Le coefficient de

diffusion est déterminé à partir de la pente de cette partie linéaire.

1.3.2 Dépendance en température

Pour les températures inférieures à la température de transition vitreuse du polymère

thermodurcissable, le comportement de sorption d’eau est typiquement fickien [8] –

l’augmentation, dans cette zone, de la température accélère l’atteinte du palier de saturation.

En revanche, à l’approche de la transition vitreuse, le modèle fickien n’est plus adapté pour

décrire les phénomènes de sorption.

1.3.3 Phénomènes non-fickiens

L’évolution des cinétiques de sorption aux hautes températures dépend du

comportement du matériau. Dans certains cas, ces écarts prennent l’allure d’une déviation

négative de la courbe de sorption. Ce phénomène résulte de l’élimination de matière due à

l’hydrolyse de la résine ; les microcavités formées sont aussitôt occupées par l’eau (pression

osmotique) de plus faible densité que la résine. Des déviations positives peuvent également

apparaître à partir de l’instauration d’un pseudo-palier de saturation (résines polyester) ; elles

sont dues en particulier au fait que lors de l’hydrolyse, d’une résine polyester par exemple,

chaque coupure se traduit par l’incorporation d’une molécule d’eau dans le réseau (RCOOR’

+ H2O Æ RCOOH + R’OH) et la formation de fonctions hydrophiles (alcool et acide) qui

vont augmenter la quantité d’eau que va pouvoir absorber le réseau.

1.3.4 Effets de l’eau sur les propriétés du composite

1.3.4.1 Plastification

%LEOLRJUDSKLH

- 26 -

Les phénomènes de plastification de la matrice se traduisent par une baisse plus ou

moins sensible (selon la nature de l’élément plastifiant) de la température de transition

vitreuse et des propriétés thermomécaniques du matériau. Ce phénomène intervient le plus

souvent lorsqu’une molécule de bas poids moléculaire s’intercale entre les chaînes du réseau

– l’eau est l’un des principaux éléments plastifiants des réseaux thermodurcissables. Les

molécules d’eau s’y substituent aux liaisons hydrogène qui contribuent à l’édification et à la

consolidation du réseau. Un autre mécanisme de plastification résulte de réarrangements

conformationnels liés à la diffusion de l’eau dans la matrice.

Sur le composite, la plastification engendre généralement les mêmes conséquences en

termes de propriétés mécaniques que sur la résine pure (chute du module élastique, baisse de

la température de transition vitreuse).

1.3.4.2 Dégradation irréversible

En plus de la plastification, des dégradations hygrothermiques irréversibles peuvent

apparaître. Elles peuvent avoir lieu soit au niveau microscopique (hydrolyse) soit au niveau

macroscopique (création de microcavités).

Au niveau de la résine, l’hydrolyse des sites polaires (sur les époxy : hydrolyse des

groupements hydroxyles et amines) est l’une des principales conséquences de l’interaction de

l’eau avec le réseau. Ce processus conduit à la libération de petites molécules qui vont

occasionner l’établissement d’une pression osmotique, favorisant la formation de microvides

qui accélèrent la dégradation et sont des sites de concentration de contraintes lors de

sollicitations mécaniques.

Dans le composite, la dégradation la plus forte se situe au niveau de l’interface

fibre / matrice. Les mécanismes qui mènent à la baisse de la qualité de l’adhésion sont

principalement, pour les fibres de verres : l’hydrolyse des liaisons à base de silanes ;

l’évacuation irréversible des oligomères à bas poids moléculaire ; la relaxation des contraintes

résiduelles de compression.

%LEOLRJUDSKLH

- 27 -

2. EMISSION ACOUSTIQUE

2.1 Généralités [14-15]

Cette technique est essentiellement utilisée pour l’étude de phénomènes physiques et

des mécanismes d’endommagement du matériau mais aussi comme méthode de contrôle non

destructif. Selon l’AFNOR, «le phénomène d’émission acoustique correspond à un

phénomène de libération d’énergie élastique sous forme d’ondes élastiques transitoires au sein

d’un matériau ayant des processus dynamiques de déformation ». Les ondes, de nature et de

fréquences diverses, se propagent dans le matériau et subissent d’éventuelles modifications

avant d’atteindre la surface du spécimen étudié. La vibration de surface est recueillie par un

capteur piézo-électrique, amplifiée, et fournit le signal d’émission acoustique.

Figure I.3 : Schéma de la chaîne d’émission acoustique, de la création de l’onde mécanique

à la visualisation du signal EA

Le phénomène-type de création d’une onde d’émission acoustique au sein d’un matériau

est schématisé Figure I.3. Une fissure se crée au niveau d’un défaut lorsque le matériau est

mis sous contrainte, ou une fissure préexistante croît, entraînant au niveau de celle-ci la

création d’une onde mécanique transitoire. Cette technique permet donc de déceler en temps

réel l’existence de défauts évolutifs. Les défauts passifs ne sont quant à eux pas détectés.

%LEOLRJUDSKLH

- 28 -

Généralement, on distingue l’émission acoustique continue de l’émission acoustique

discrète ou par salves. Pour cette dernière, le signal d’émission acoustique ou la salve a

l’allure d’une sinusoïde amortie. Lorsque les salves sont si fréquentes qu’elles se

chevauchent, le signal d’émission acoustique se traduit par une augmentation apparente du

bruit de fond. Cette émission acoustique est dite continue. Elle est principalement observée

lors de la déformation plastique dans les matériaux métalliques. Dans le cas des composites

fibres/résine, on n’observe pas en général d’émission acoustique continue. Il existe bien le cas

de la détection de fuites dans les réservoirs en composite par émission acoustique de type

continu ; mais c’est l’écoulement de la fuite, plus que l’endommagement même du matériau,

qui occasionne dans ce cas l’émission acoustique.

2.2 Les principales sources d’émission acoustique

Les sources d’émission acoustique sont liées à des phénomènes irréversibles. Dans les

matériaux composites, les salves recueillies peuvent être attribuées à divers mécanismes

d’endommagement ou à des phénomènes de frottement. Par endommagement, nous entendons

tous les phénomènes liés à une perte de cohésion du matériau dont l’accumulation conduit à la

ruine de la structure. Une partie de l’énergie libérée lorsque survient une décohésion peut être

transformée en onde acoustique. Les mécanismes sources attendus lors de la sollicitation

mécanique de matériaux composites fibreux sont principalement : la fissuration matricielle, la

décohésion interfaciale, les ruptures de fibres, le délaminage…. Cependant nous pouvons

rappeler que de nombreux phénomènes physiques peuvent être à l’origine de l’EA [14, 15] :

• déformation plastique, mouvement de dislocations, maclage, glissement aux

joints de grains, formation de bandes de Piobert-Lüders, rupture d’inclusions ou de composés

intermétalliques, transformation de phase (martensitique par exemple) ;

• amorçage et propagation de fissures (contraintes statiques, fatigue, corrosion

sous contrainte, etc) ;

• fragilisation par l’hydrogène ;

• corrosion ;

• ruptures micro et macroscopiques dans les matériaux composites ;

• frottement ;

• impacts mécaniques ;

• fuites (liquide et gaz), cavitation, ébullition ;

%LEOLRJUDSKLH

- 29 -

• bruits extérieurs à des essais (alignement de mors, machine de traction,

environnement, etc).

2.3 Effet Kaiser et le rapport Felicity

Les phénomènes générateurs d’EA sont de nature irréversible. L’effet Kaiser désigne

cette propriété d’irréversibilité. Il est défini comme étant l’absence d’EA lorsqu’un matériau

ou une structure portée à un niveau de sollicitation noté P1 puis déchargée n’émet pas tant que

la sollicitation, appliquée lors d’une deuxième mise en charge, reste inférieure à la valeur

maximale précédemment atteinte P1. On appelle P2 le niveau de sollicitation à l’apparition de

l’émission acoustique lors de la deuxième mise en charge. Si la structure est endommagée

alors P2

%LEOLRJUDSKLH

- 30 -

capteurs permettant de localiser les sources pour différentes géométries d’échantillons. Une

localisation linéaire sur une éprouvette de traction ne nécessite l’emploi que de deux capteurs.

Des géométries plus complexes peuvent nécessiter un plus grand nombre de capteurs. La

position de la source liée à un signal reçu est calculée en fonction des différences de temps

d’arrivée des signaux aux capteurs et de la vitesse de propagation des ondes dans le matériau

considéré.

Sources d ’EA

Capteurs piézo

Sources d ’EA

Capteurs piézo

Figure I.4 : Différentes géométries d ’échantillons et positionnements de capteurs permettant

la localisation des sources d’émission acoustique

2.6 Les paramètres exploi tables

On s’intéresse ici aux signaux de type discret. On se place dans l’hypothèse où chaque

salve correspond à un événement physique dans le matériau et où la forme de la salve est

directement liée aux caractéristiques de cet événement. Alors il est important de relever tous

les paramètres pouvant permettre de caractériser un type de signal dans le but de remonter

jusqu’à l’identification des différents mécanismes mis en jeu. Les principaux paramètres

exploitables sont représentés par la Figure I.5. La plupart de ces paramètres sont définis par

rapport à un seuil d’acquisition. Il existe plusieurs méthodes pour fixer ce seuil, la plus

courante consiste à le régler à une valeur légèrement supérieure au bruit de fond. Les

paramètres classiques enregistrés en temps réel sont les suivants :

1) l’amplitude crête exprimée en décibels ;

2) la durée exprimée généralement en microsecondes. Elle correspond au temps qui

sépare le premier et le dernier dépassement de seuil ;

3) le nombre de coups ou le nombre d’alternances correspond au nombre de

franchissements de seuil par le signal sur toute sa durée ;

%LEOLRJUDSKLH

- 31 -

4) le nombre de coups au pic correspond au nombre de franchissements de seuil par le

signal entre le premier dépassement de seuil et l’amplitude maximale ;

5) le temps de montée exprimé en microsecondes. Il correspond au temps qui sépare le

premier dépassement de seuil et l’amplitude crête du signal ;

6) la fréquence moyenne : cette valeur donnée par la plupart des systèmes d’acquisition

ne correspond pas à la transformée de Fourier du signal mais au nombre de coups d’une salve

divisé par sa durée ;

7) l’énergie du signal.

te m p s

ampl

itud

e

t e n sio n

se u i l

d u ré e

te m p s d e m o n té e

n o m b re d e c o u p s

E n e rg ie

te m p s

ampl

itud

e

t e n sio n

se u i l

d u ré e

te m p s d e m o n té e

n o m b re d e c o u p s

E n e rg ie

Figure I.5 : Principaux paramètres mesurés en temps réel sur une salve d’émission

acoustique

%LEOLRJUDSKLH

- 32 -

3. IDENTIFICATION DE LA SIGNATURE ACOUSTIQUE DES SOURCESDANS LES MATERIAUX COMPOSITES : ANALYSECONVENTIONNELLE

Dans l’analyse conventionnelle de l’émission acoustique, la propagation et les

altérations du signal ne sont pas prises en compte. Les paramètres analysés sont fortement

dépendants des propriétés du matériau, des géométries de la structure et du capteur et du

système de détection et d’analyse. Cependant cette analyse permet d’établir des corrélations

entre les paramètres d’émission acoustique et les sources. Ces corrélations ne sont pas

universelles en raison de la dépendance des paramètres d’EA avec la géométrie de

l’échantillon, les propriétés du matériau et le système d’acquisition. Une analyse quantitative

de l’émission acoustique nécessitant la modélisation de la propagation et la prise en compte

des fonctions de transfert permet de déterminer la fonction source indépendante des propriétés

du matériau et de la géométrie. Cependant cette analyse est limitée en raison de l’analyse

complexe nécessaire pour traiter un événement unique. Elle est donc difficilement réalisable

pour un composite.

3.1 Travaux sur le contenu fréquentiel des ondes

L’étude de la relation sources / signaux d’émission acoustique peut être orientée vers

l’analyse du contenu fréquentiel des ondes reçues. Calabro et al. [16,17] ont étudié les

diagrammes FFT (Fast Fourier Transform) des signaux d’émission acoustique reçus lors

d’essais sur des composites unidirectionnels carbone/époxy sollicités en traction à 0° et 90°

par rapport à l’axe des fibres, ainsi que sur des stratifiés à plis croisés [0/90], dans le but de

reconstituer l’intégralité du processus de rupture. Les signaux sont associés à la fissuration

matricielle ou aux ruptures de fibres suivant le type d’essai et le moment de leur apparition.

L’observation des FFT leur a permis d’identifier la présence de fréquences aux alentours de

400 kHz pour les ruptures de fibres, qui ne sont pas présentes pour la fissuration de la matrice.

Des travaux réalisés sur des composites monofilamentaires carbone/polyester [14] leur ont

permis de confirmer l’intérêt de l’analyse dans le domaine fréquentiel.

Downs et Hamstad [18] ont effectué des essais d’impact sur des cuves à pression de

diamètre extérieur de 260 mm réalisées en composite fibres de verre / matrice époxy. Leur

étude portait en particulier sur l’effet de la distance source/capteur. Ils ont pu montrer que les

%LEOLRJUDSKLH

- 33 -

paramètres caractéristiques des formes d’onde tels que l’amplitude, le temps de montée, …

ainsi que le contenu spectral des signaux pour des sources identiques sont largement

influencés par la distance source capteur. Pour des distances faibles (inférieures à 60 mm)

évaluer la signification physique d’un événement acoustique ne peut se faire qu’en tenant

compte de la propagation.

Enfin des travaux de Suzuki, Takemoto et Ono [19-21] ont été réalisés sur le contenu

fréquentiel de l’émission acoustique associée à divers modes d’endommagement. Le premier,

en particulier, associe plusieurs techniques (localisation et simulation des sources,

transformée en ondelettes) dans le but de classer les signaux d’émission acoustique. Leurs

résultats sont très prometteurs mais la technique nécessite de telles conditions expérimentales

(capteurs large-bande peu sensibles, distances source/signal très faibles, maîtrise parfaite de la

géométrie des échantillons) qu’elle paraît pour l’instant très difficilement applicable au

contrôle sur une structure composite réelle.

Plus récemment, des travaux ont été réalisés par Mäder et al. [22] sur des

microcomposites fibres de verre / matrice polypropylène et sur des composites de même

nature. Différentes qualités interfaciales sont testées. L’analyse du contenu fréquentiel est

associée à une analyse plus traditionnelle portant sur l’analyse de l’amplitude. Le fait que le

contenu fréquentiel des signaux de faible amplitude évolue avec les différents ensimages de

fibres suggère que le mode de déformation matricielle est fonction du traitement des fibres.

De même le contenu fréquentiel des signaux de faible amplitude et de moyenne amplitude

associé à la décohésion varie en fonction de la qualité de l’adhésion fibre-matrice. Par

ailleurs, le contenu fréquentiel des signaux de fortes amplitudes associés à la rupture des

fibres ne varie pas. L’analyse fréquentielle des signaux montre que les différents

comportements mécaniques enregistrés sont liés aux interfaces créées.

Une autre piste peut être d’étudier la fréquence des signaux en tant que paramètre,

auquel cas la fréquence moyenne est calculée directement sur la forme d’onde et peut être

étudiée comme le serait l’amplitude ou l’énergie. De Groot et al. [23] ont sollicité dans

diverses conditions des composites fibres de carbone / matrice époxy. Leur objectif était de

produire des modes d’endommagement particuliers dans chacun des types d’essais. Le

paramètre mesuré est la fréquence moyenne des signaux d’émission acoustique reçus. Ils ont

identifié quatre zones pour les modes d’endommagement étudiés : fissuration matricielle de

90 à 180 kHz, décohésions de 240 à 310 kHz, pull-out de 180 à 240 kHz et ruptures de fibres

%LEOLRJUDSKLH

- 34 -

pour les fréquences moyennes de plus de 300 kHz. La comparaison avec la littérature qu’ils

présentent met en évidence une certaine disparité dans les valeurs de ces fréquences d’un

matériau ou type d’essai à l’autre, mais une persistance du classement de ces modes sur une

échelle de fréquences.

Nous pouvons aussi signaler l’existence de travaux basés sur la décomposition en

ondelettes du signal d’EA [24, 25] qui sont aussi très prometteurs. Ils ne seront pas présentés

dans le cadre de ce travail.

Ces résultats sont intéressants dans la cohérence qu’ils présentent d’une étude à l’autre,

et nous verrons par la suite comment des approches similaires ont été abordées pour les autres

paramètres d’émission acoustique, en particulier l’amplitude.

3.2 Identification des sources par les paramètres des salves

De nombreuses études ont tenté, notamment pour les besoins d’applications de contrôle

industriel nécessitant l’emploi de procédures simples, de différencier les mécanismes sources

des signaux d’émission acoustique recueillis lors d’essais sur des composites chargés par

l’emploi d’un seul paramètre calculé sur les formes d’ondes. La plupart d’entre elles portent

sur l’amplitude des signaux d’émission acoustique.

Ainsi Chen et al. [26] ont étudié l’évolution de l’amplitude des signaux d’émission

acoustique reçus lors d’essais de flexion et de traction monotone sur des échantillons de

composite à fibres courtes de carbone et matrice verre. Les résultats obtenus, comparés à des

observations micrographiques à différents stades des essais, leur ont permis d’identifier deux

zones d’amplitudes correspondant à des mécanismes différents : de 60 à 80 dB pour la

fissuration de la matrice et de 70 à 90 dB pour les ruptures de fibres et le déchaussement

(pull-out).

Kim et Lee [27] ont réalisé des essais de mises en charge successives sur des

échantillons de composite fibres de carbone / matrice polymère à plis croisés [0, 90]. La

fissuration matricielle a été reliée aux signaux de faibles amplitudes (40 à 70 dB) et les

ruptures de fibres à ceux de fortes amplitudes (60 à 100 dB).

%LEOLRJUDSKLH

- 35 -

Karger-Kocsis et al. [28] ont analysé l’amplitude des signaux d’émission acoustique

provenant d’essais jusqu’à rupture sur éprouvettes CT réalisées en composite à matrice

polypropylène et fibres de verre longues ou courtes. Des observations en thermographie

infrarouge ainsi que l’évolution de l’amplitude au cours des essais leur ont permis d’établir un

classement des modes d’endommagement en fonction de l’amplitude : fissuration matricielle /

décohésions / pull-out / ruptures de fibres, en partant des faibles jusqu’aux fortes valeurs

d’amplitudes.

Kotsikos et al. [29, 30] ont étudié l’émission acoustique reçue lors d’essais de fatigue

sur des échantillons de stratifiés [0/90°] à fibres de verre et matrice polyester. Ils ont associé

la fissuration matricielle aux signaux d’amplitudes comprises entre 40 et 55 dB, le délaminage

de 55 à 70 dB et les ruptures de fibres aux signaux de plus de 80 dB. Ce travail portait

également sur l’effet d’un vieillissement hygrothermique sur les propriétés du composite. Il

leur a permis d’identifier une diminution du nombre de signaux provenant de la fissuration

matricielle après vieillissement ainsi qu’une augmentation des signaux de la zone associée

aux décohésions fibre/matrice.

Ceysson et al. [31] ont effectué différents types d’essais de flexion sur des stratifiés

fibres de carbone / matrice époxy. Les distributions en amplitude étaient centrées sur la valeur

de 50 dB pour la fissuration matricielle et sur la valeur de 62 dB pour le délaminage. Ces

distributions présentaient toutefois un assez fort recouvrement.

Enfin plusieurs travaux de Benzeggagh et al. [32, 33] ont porté sur l’étude de

l’amplitude des signaux, sur différents types de composites. Quatre zones d’amplitudes ont,

par exemple, été identifiées sur un composite à fibres de verre courtes et matrice

polypropylène sollicité en traction statique et en fatigue : de 40 à 55 dB pour la fissuration

matricielle, de 60 à 65 dB pour les décohésions, de 65 à 85 dB pour le pull-out et de 85 à

95 dB pour les ruptures de fibres. Ce traitement de la distribution de l’amplitude des signaux

enregistrés a été utilisé dans des études réalisées sur des matériaux de nature différente

(composite fibre de verre/matrice polyester, composite fibre de verre/matrice époxy) [34, 35].

Ces différents travaux (Tableau I.1), menés sur divers types de composites et dans des

conditions (essais, acquisition de l’émission acoustique) très variables, amènent à plusieurs

conclusions. Il semble tout d’abord se détacher un certain classement par l’amplitude des

signaux d’émission acoustique provenant des modes d’endommagement les plus

%LEOLRJUDSKLH

- 36 -

fréquemment rencontrés dans les composites, soit par amplitude décroissante : ruptures de

fibres, décohésions et délaminage, fissuration matricielle. Il est cependant clair que les valeurs

absolues (en amplitude) des zones concernées varient d’un type d’essai à l’autre, d’un

matériau à l’autre, etc. Il apparaît également que, dans la plupart de ces études, les zones

même bien identifiées par rapport à l’endommagement correspondant, présentent des

recouvrements et rendent incertaine l�