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CA 02461506 2004-03-24
WO 03/027670 PCT/FR02/03272
Dispositif et méthode de détection de défauts dans un produit
en bois ou à base de bois à partir de sa signature acoustique
La présente invention concerne un dispositif et une méthode
pour la détection en temps réel de défauts dans un objet
manufacturé en bois ou à base de bois.
L'optimisation des étapes de fabrication industrielle dans 1â
filière bois passe par un contrôle accru de la qualité des produits
en amont de la chaîne de production. En effet, un défaût de
fabrication détecté à un stade précoce dans la chaîne de
production n'entraînera qu'un coût limité pour son traitement.
Cette recherche d'optimisation répond également à un souci de
garantie de qualité et de respect de spécifications strictes des
produits fabriqués.
Le type de défaut que l'on désire détecter consiste
principalement en des inhomogénéités dans un produit en bois ou
à base de bois. Celles-ci peuvent résulter de la séparation d'un
matériau en deux ou plusieurs couches, de la présence
d'inclusion, de singularité, ou d'un manque de liaison entre deux
ou plusieurs couches d'un matériau laminé ou plaqué. Ces
dernières sont appelées communément des "délaminations". Elles
peuvent apparaître dans des produits reconstituës à base de bois
tels que des carrelets qui consistent en des âmes constituées de
plusieurs essences sur lesquelles sont collées des planchettes de
quelques millimètres d'épaisseur donnant ainsi à ladite structure,
l'apparence de bois massif. Ces types d'adhésion défectueuse
peuvent résulter, par exemple, d'un manque de colle. Le même
type de problème peut apparaître dans les panneaux à base de
bois constitués d'une âme et de placages.
Divers dispositifs ont ainsi vu le jour pour le contrôle non
destructif de produits bois. Un premier type de dispositifs permet
la mesure directe et localisée de la densité du produit bois au
moyen de rayons X (Lanvin JD. et al. (1998) Classement des bois
de structure au moyen d'un densimètre à rayons X, J. Phys. IV
France (8) pp : 561-567 ; Brevet US-4,941,357 ; machine
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"StenOgraph" de GreCon, Inc.). Ces dispositifs donnent accès à la
cartographie densitométrique exacte de chaque produifi permettant
ainsi une bonne évaluation de leur qualité interne. Un second t~pe
de dispositifs ufiilisant les ultrasons et basé sur les variations
d'absorption d'énergie dans le milieu firaversé a également été
proposé (machine "UPU 2000" de GreCon, Inc.).
L'analyse de la diffusion de la chaleur dans une structure en
bois est aussi une méthode adaptée pour la détection de défauts.
Une méthode de thermographie infrarouge a notamment été
dëveloppée par l'institut Wilhelm Klauditz Institut (Meinlschmidfi P.
et al. Zerst~rungsfreie Fehlererkennung mittels Thermografie,
Holzfehlererkennung, Seite 780 - Nummer 52 - Holz-Zentralblatfi).
D'aufires méthodes encore visent à évaluer le module d'élasticité
statique (CAE Machinery Ltd.) ou dynamique (Oison Insfiruments
Inc., Sandes S.A.).
On connaît, par ailleurs, une méthode de détection non
destructive de délaminations (Brevet US-3,937,065) dans laquelle
on soumet la surface d'un objefi à tester à des chocs transvérses
("tapping mode") à une fréquence de 60 Hz et on détecte la
réponse acoustique émise par l'objet. Cependant, comme cette
méthode de sondage de la surface de l'objet n'est pas continue,
son application à la détection de défauts dans des produits bois à
un niveau industriel est inadaptée.
L'objecfiif de la présente invention est donc de proposer un
dispositif et une méthode simple dans leur conception et dans leur
mode opératoire, rapide et économique pour la détection de
défauts dans un objet en temps réel.
A cet effet, l'invention concerne un dispositif de détection de
défauts dans un objet comprenant
- des moyens d'excitation locale de la surface de l'objet,
- des moyens de détection de la réponse vibratoire de
l'objet,
- des moyens de traitement du signal vibratoire mesuré.
Selon l'invention, les moyens d'excitation locale de la
surface de l'objet comportent au moins un élément frottant.
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On entend par "élément frottant", un élément qui, mis en
contact avec un objet à tester, est soumis à un frottement avec ce
dernier. Un contact continu est maintenu par la pression exercée
par l'élément sur l'objet à tester, ce dernier étant déplacé par
rapport audit élément, ou inversement. On appelle "objet", tout
produit en bois ou à base de bois.
Dans diffërents modes de réalisation particuliers ayant
chacun ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses
combinaisons techniques possibles
- les éléments frottants comportent des brosses ;
- la longueur et l'épaisseur des poils de la brosse sont
adaptées pour rapprocher leur fréquence de résonance de la
fréquence de résonance caractéristique des défauts ;
- les moyens de détection comportent des capteurs de
vibration placés à proximité des éléments frottants ;
- les éléments frottants sont des brosses et les moyens de
détection comportent des capteurs de vibrations couplés aux
brosses;
- des moyens de défilement produisent un mouvement rélatif
de l'objet à vitesse contrôlée par rapport aux moyens d'excitation
et de détection ;
- il comporte plusieurs éléments frottants qui sont décalés
les uns par rapport aux autres dans l'axe d'avancement de l'objet
testë ;
- les réponses acoustiques de l'objet sont comprises entre
Hz et 20.000 Hz.
L'invention concerne également une méthode de détection
de défauts dans un objet dans laquelle
- on excite localement la surface d'un objet,
30 - on détecte la réponse vibratoire de l'objet,
- on traite le signal. détecté. .
Selon l'invention :
- on utilise au moins un élément frottant pour exciter la
surface de l'objet testé,
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- on traite numériquement et en temps réel le signal détecté
sur un ordinateur,
- on fait défiler à vitesse contrôlée l'objet testé par rapport
aux moyens d'excitation et de défection.
Dans différents modes de réalisation particuliers ayant
chacun ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses
combinaisons techniques possibles
- on définit avant de tester un ensemble d'objets de même
type, la signature vibratoire caractéristique d'un desdits objets ne
présentant pas de défauts, on compare ensuite le signal vibratoire
mesuré pour chacun des objets de l'ensemble à ladite signature.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux
dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique du dispositif
de détection de défauts dans un objet, selon l'invention ;
- la figure 2 montre un exemple type de fenétres d'affichage
en temps réel : le signal temporel 14 constitue la référence - son
amplitude' maximale calculée sur un intervalle de temps peut
constituer un seuil de détection - le signal temporel 15 est mesuré
lorsque l'élément frottant rencontre un défaut ;
- la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un
carrelet présentant un défaut lié aux lignes de collage.
On entend par - défaut - d'un objet 2, une imperfection
matérielle de l'objet 2 caractérisée par la présence d'au moins
une inhomogénéité 1 dans ledit objet 2. Ce type d'inhomogénéité
1 peut, par exemple, être un noeud dans le bois, une inclusion ou
une délamination dans un matériau constitué de couches laminées
ou plaquées, ce type de défaut 1 étant, en général, caché.
Le dispositif de détection de défauts 1, selon l'invention, est
basé sur l'analyse de la réponse vibratoire d'un objet 2 sous
l'action d'une excitation continue. Le dispositif comprend' donc des
moyens d'excitation locale de la surface 3 de l'objet 2 comportant
au moins un élément frottant 4 (voir figure 1 ). Dans un mode de
réalisation préféré, les moyens d'excitation locale de la surface 3
de l'objet 2 comportent des brosses. Ces brosses comprennent
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des poils 5 fixés à un support 6 de type plaque. Ces poils 5 sont
principalement définis par leur longueur, leur section et (surs
propriétés intrinsèques (masse volumique, module d'Young,..).
Avantageusement, ces poils 5 sont métalliques.
5 Lors de la mise en oeuvre de plusieurs éléments frottants 4
pour obtenir une caractérisation de l'objet 2 testé non plus
linéaire, donc unidimensionnelle, mais planaire (deux dimensions),
les éléments frottants 4 sont décalés les uns par rapport aux
autres dans l'axe d'avancement dudit objet 2. Ce positionnement
permet d'éviter d'éventuelles interactions entre les éléments
frottants 4.
Lorsque la brosse. est en frottement avec l'objet 2, les poils
5 entrent en interaction avec les aspérités de la surface 3 de
l'objet 2 et c'est une série de micro-chocs qui excite localement
ledit objet 2. La réponse vibratoire d'une structure à une excitation
étant reliée à ses caractéristiques matériaux et géométriques,
toute modification de ces grandeurs par la présence
d'inhomogénéités 1 se répercute dans le spectre fréquentiel de la
réponse vibratoire. Des moyens de détection permettent donc
d'acquérir la réponse acbustique rayonnée par l'objet 2 sous
l'effet de l'excitation locale de la surface 3. Les moyens de
détection comportent, dans un mode de réalisation, un capteur de
vibration 7 placë à proximité d'un élément frottant 4. Dans un
mode de réalisation .préféré, ces capteurs de vibration sont des
microphones. Dans le cas où plusieurs éléments frottants 4 sont
mis en oeuvre, les microphones 7 sont choisis directionnels et
sont placés à proximité immédiate de chaque élément frottant 4 et
de l'objet 2.
Le signal acoustique étant détecté par un microphone 7, de
bande passante 30 Hz à 20.000 Hz, il se voit transformer une
variation de pression sonore en une variation de tension
analogique de l'ordre de 50 mV. Ce signal électrique est reçu sur
une carte d'acquisition 8. II est dans un premier temps filtré,
amplifié puis numérisé, à l'aide d'un convertisseur
analogique/numérique 9. Ce signal est enfin traité par un micro-
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ordinateur 10 ou tout système informatique capable de traiter
l'information.
Dans un mode de réalisation, des moyens de défilement 11
permettent de faire avancer l'objet 2 à vitesse constante par
rapport aux moyens d'excitation et de détection. Dans un autre
mode de réalisation, des moyens de défilement 11 permettent de
faire avancer des moyens d'excitation et de détection à vitesse
constante par rapport à l'objet 2. Avantageusement, ces moyens
de défilement 11 comportent des rouleaux de défilement. La
vitesse de dëfilement est comprise entre 0 et 50 m par minute.
Les éléments du dispositif selon l'invention ne sauraient être
limités à la description qui précède et sont susceptibles de
modifications avec l'évolution des technologies. L'utilisation de
microphones 7 comme moyens de détection peut par exemple,
étre remplacée par la mise en oeuvre de capteurs de vibration
directement couplés aux brosses. Avantageusement, ces capteurs
de vibration sont alors des accéléromètres. D'autres éléments
frottants 4 peuvent également être mis en oeuvre, dans le cadre
de l'invention, tels que des stylets, patins, languettes.
L'invention concerne également une méthode de détection
de défauts 1 dans un objet 2 dans laquelle on excite localement la
surface 3 de l'objet 2 à tester au moyen d'au moins un élément
frottant 4. Cette excitation locale de la surface 3 de l'objet 2 est
continue. Les éléments frottants 4 comportent avantageusement
des brosses. On détecte alors la réponse acoustique émise par
l'objet 2 par des moyens de détection. Ces derniers comportent,
dans un mode de réalisation préféré, des capteurs de vibration 7
placés à proximité des éléments frottants 4. Avantageusement,
ces capteurs de vibration sont des microphones.
Dans un mode de réalisation, on fait défiler à vitesse
contrôlée l'objet 2 par rapport aux moyens d'excitation et de
détection. Dans un autre mode de réalisation, on fait défiler les
moyens d'excitation et de détection à vitesse contrôlée par rapport
à l'objet 2. On envoie ensuite en temps réel le signal acoustique
détecté sur un ordinateur 10, ainsi que la vitesse de défilement de
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l'objet ou des moyens d'excitation efi de détection pour la prendre
en compte lors du traitement numérique.
Dans un premier mode de ' réalisafiion, on traite
numériquement ce signal grâce à un logiciel et on visualise en
fiemps réel une représentation du signal par son amplitude 12 au
cours du temps 13 sur une fenêtre d'affichage. Dans un deuxième
mode de réalisation, on détecfie automatiquement le signal par la
fixation d'un seuil de détecfiion, soit sur l'amplitude du signal
fiemporel, soit sur sa représentation fréquentielle.
~ On définit avant de tester un ensemble d'objets 2 de mëme
type, la signature acoustique 14 caractérisfiique d'un desdits
objets 2 ne présenfiant pas de défauts 1. Ce calibrage préalable à
partir d'un objet 2 sain permet donc de comparer l'amplitude du
signal acoustique mesuré 15 pour chacun des objets 2 de
l'ensemble à ladite signature 14. La réponse vibratoire d'un objet
2 à une excitation locale de sa surface 3 étant reliée à ses
caractéristiques matériaux et géométriques, la présence
d'inhomogénéités 1 dans ledit objet se traduit par un signal
d'amplitude différente 15 de la signature 14 émise par un objet 2
sain dans la représenfiation amplitude-temps (voir figure 2) de la
réponse vibratoire. Cette différence d'amplitude devient
significative lorsque les modes de vibration des poils 5 de la
brosse sont proches en fréquence des modes desdites
inhomogénéités 1. La vitesse de défilement de l'objefi à tesfier 2
étant connue, on peut ainsi détecter en temps réel la présence et
la position d'un défaut 1.
Sur la figure 2, l'axe des abscisses 13 représente l'échelle
de temps (s) de l'axe des ordonnées 12, l'échelle des amplitudes
(en unités arbitraires).
Une théorie a été développée pour expliquer l'amplification
des modes vibratoires issus des inhomogénéités 1. Cette théorie
fait référence à un couplage entre les modes de vibrations de la
brosse et ceux de l'objet 2 à tester. Ces modes étant proches les
uns des aufires, on assisterait à des phénomènes de résonances
rendant la détection des inhomogénéités 1 très aisée. On cherche
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ô
donc à adapter la longueur et l'épaisseur des poils 5 de la brosse
préalablement à toute mesure d'un ensemble d'objets 2, pour
rapprocher leurs fréquences des fréquences spécifiques des
défauts 1.
La surface 3 de l'objet 2 présentant une résistance aux
frottements, les poils 5 desdites brosses sont mis en vibration.
On distingue alors deux types de vibrations. La première est
celle des poils en contact avec la surface 3 de l'objet 2.
L'excitation de ces poils est engendrée par leur frottement avec la
surface 3. Le deuxième type de vibration des poils 5 concerne
ceux qui, sans contact avec la surface 3, sont excités par leurs
voisins.
Une approche simplifiée pour déterminer les fréquences
propres de vibrations des poils 5 de la brosse consiste alors à
modéliser lesdits poils 5 en utilisant les hypothèses et le modèle
de Bernoulli en dynamique des poutres.
L'équation donnant les fréquences propres est
__ _l _Cn _EI ( 1 )
f n 2'rt L~
oü L est la longueur du poil 5, n le rang du mode (n = 1,2),
E le module d'Young, I le moment quadratique, p la masse
linéique du poil 5 et Cn les constantes associées au mode de rang
n.
On tient également compte des conditions aux limites, i.e. la
poutre est soit "encastrée-libre" pour un poil 5 non en contact
avec la surface 3 de l'objet 2, soit "encastrée-appuyée" pour un
poil 5 en contact sur la surface 3.
Dans un exemple de réalisation particulière (voir figure 3),
on considère des carrelets 16 rectangulaires minces en bois
présentant des défauts 1 liés. au pas des lignes de collage 17 de
dimensions typiques 5 cm par 2 cm. On observe alors pour ces
défauts 1, deux modes de vibration aux fréquences suivantes
f1 = 7500 Hz et f2 = 11.500 Hz. Pour des moyens de détection
faisant intervenir des brosses métalliques, on cherchera donc à
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adapter la longueur et l'épaisseur des poils 5 métalliques de façon
à approcher leurs fréquences de vibrations de ces dernières
valeurs. En prenant, par exemple, des poils de longueur 2.8 cm et
de section 0.38 mm, on obtient en utilisant l'équation (1 ) des
fréquences théoriques à environ 9.000 Hz et 13.000 Hz
suffisamment proches des modes de vibrations observés pour les
inhomogénéités 1 pour obtenir l'amplification en amplitude de ces
dern fières.
Ce dispositif et cette méthode peuvent avantageusement
être mis en oeuvre pour un contrôle industriel non destructif de
pièces de bois assemblées et de produits à base de bois
(carrelets, panneaux,...) afin de détecter rapidement des défauts
(délaminations, soufflures,..).
