Academic literature on the topic 'Guided wave tomography'

This dissertation concentrates on the development of two new tomographic techniques that enable wide-area inspection of pipe-like structures. By envisioning a pipe as a plate wrapped around upon itself, the previous Lamb Wave Tomography (LWT) techniques are adapted to cylindrical structures. Helical Ultrasound Tomography (HUT) uses Lamb-like guided wave modes transmitted and received by two circumferential arrays in a single crosshole geometry. Meridional Ultrasound Tomography (MUT) creates the same crosshole geometry with a linear array of transducers along the axis of the cylinder. However, even though these new scanning geometries are similar to plates, additional complexities arise because they are cylindrical structures. First, because it is a single crosshole geometry, the wave vector coverage is poorer than in the full LWT system. Second, since waves can travel in both directions around the circumference of the pipe, modes can also constructively and destructively interfere with each other. These complexities necessitate improved signal processing algorithms to produce accurate and unambiguous tomographic reconstructions. Consequently, this work also describes a new algorithm for improving the extraction of multi-mode arrivals from guided wave signals. Previous work has relied solely on the first arriving mode for the time-of-flight measurements. In order to improve the LWT, HUT and MUT systems reconstructions, improved signal processing methods are needed to extract information about the arrival times of the later arriving modes. Because each mode has different through-thickness displacement values, they are sensitive to different types of flaws, and the information gained from the multi-mode analysis improves understanding of the structural integrity of the inspected material. Both tomographic frequency compounding and mode sorting algorithms are introduced. It is also shown that each of these methods improve the reconstructed images both qualitatively and quantitatively.

Sistemas de ensaios não destrutivos por ondas guiadas despertam cada vez mais a atenção tanto da indústria, como da academia. Isso deve-se, principalmente, às possibilidades que as ondas guiadas permitem, como maior área de triagem que o ultrassom convencional. Porém a técnica tem suas limitações, já que esta apenas gera uma estimativa da localização de um defeito e não a sua dimensão. Nessa limitação, algoritmos tomográficos apresentam uma possibilidade de avanço da técnica, pois permitem determinar não só a localização de corrosões e defeitos, mas também seu dimensionamento. Este trabalho apresenta tomografia de difração como uma alternativa para avaliação de integridade estrutural. Primeiramente, utilizou-se análise por métodos numéricos para mostrar a validade dos algoritmos e posteriormente foi realizado um experimento em uma chapa real com o objetivo de reconstruir a imagem do defeito.<br>Guided waves nondestructive testing systems are increasingly attracting industrial and academic attention. The mainly reason for this attention is the possibility of screening a large area than conventional ultrasound technique. However, Guided Waves Testing has limitations, since it gives only an estimation of the location of a defect, but not the dimensions. Tomographic algorithms come up with an improvement of the technique, because it allows discovery not only the location of corrosions and defects, but the dimensions too. This work brings Diffraction Tomography as an alternative to structural health monitoring. First, a numerical analysis was implemented to demonstrate the validity of the algorithms, after that an experiment in a real plate was made with the objective to recover the defect image.

Adaptive optics or numerical restoration algorithms that restore high resolution imaging through atmospheric turbulence are subject to isoplanatic wave-front errors. Mitigating those errors requires that the wave-front aberrations be estimated within the 3D volume of the atmosphere. Present techniques rely on multiple beacons, either natural stars or laser guide stars, to probe the atmospheric aberration along different lines of sight, followed by tomographic projection of the measurements onto layers at defined ranges. In this paper we show that a three-dimensional estimate of the wave-front aberration can be recovered from measurements by a single guide star in the case where the aberration is stratified, provided that the telescope tracks across the sky with non-uniform angular velocity. This is generally the case for observations of artificial earth-orbiting satellites, and the new method is likely to find application in ground based telescopes used for space situational awareness.

Ce manuscrit présente une méthode d’imagerie quantitative et sans état de référence, de défauts de corrosion d’une plaque mince, exploitant de manière passive un réseau embarqué de capteurs d’ondes élastiques guidées. Les applications visées sont le contrôle santé intégré (SHM) de structures critiques qui amènent de fortes contraintes à la fois d’intrusivité des capteurs et de fiabilité du diagnostic. Une solution prometteuse, permettant de multiplier la densité de points de mesure sans augmenter l’intrusivité du système, est offerte par les réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG). Toutefois, contrairement aux transducteurs piézoélectriques (PZT) classiquement employés en SHM, les FBG ne permettent pas d’émettre d’ondes élastiques. L’idée consiste à utiliser des méthodes dites « passives » permettant de retrouver la fonction de Green entre deux capteurs à partir du bruit ambiant, naturellement présent dans la structure, mesuré simultanément entre ces deux capteurs. Nous étudions dans ce manuscrit deux méthodes passives : la corrélation de bruit et le filtre inverse passif. Nous verrons que ce dernier a plus de potentiel lorsqu’il est couplé à l’imagerie par tomographie. Différents algorithmes de tomographie sont évalués par simulation numérique puis lors d’expériences comparatives actives et passives à l’aide d’un réseau de PZT. Afin de rendre la tomographie passive robuste, nous présentons une méthode clé de détection de temps de vol, basée sur une représentation temps-fréquence. Enfin, nous décrivons une première démonstration expérimentale de mesures passives par FBG qui laisse à penser que la tomographie passive par FBG est prometteuse<br>This manuscript presents a baseline-free quantitative method for the imaging of corrosion flaws present in thin plates. This method only requires an embedded guided waves sensors network in a fully passive way. The field ofapplications are Structural Health Monitoring (SHM) of critical structures with heavy constrains on both sensors intrusiveness and diagnostic reliability. A promising solution allowing to increase the number of measurement points without increasing the intrusiveness of the system is provided by the Fiber Bragg Gratings (FBGs). However, unlike piezoelectric transducers generally used in SHM, the FBGs cannot emit elastic waves. The idea consists in using passive methods in order to retrieve the Green function from elastic diffuse fields - naturally present in structures - measured simultaneously between two sensors. In this manuscript, two passive methods are studied: the ambient noise correlation and the passive inverse filter. It is shown that the latter gives better results when coupled with tomography. Several tomography algorithms are assessed with numerical simulations and then applied to active and passive datasets measured by a PZT network. In order to make passive tomography robust, a time of flight identification method is proposed, based on a time-frequency representation. Finally, a novel experimental demonstration of passive measurements with FBGs only is presented, suggesting high potential for FBGs passive tomography

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés d’élasticité et d’amortissement des fibres micrométriques qui sont utilisées comme des renforts dans les matériaux composites. Des fibres artificielles, homogènes et circulaires, ont fait l’objet d’une étude expérimentale par l’application de la technique des ultrasons laser (USL) couplée à une identification modale basée sur une modélisation des modes des vibrations par éléments finis (FEM). Dans le cas d’une fibre végétale, l’application de la méthode LU requiert la connaissance préalable de la géométrie 3D de la fibre unitaire dans la zone de mesure. Pour déterminer cette géométrie, nous avons développé un dispositif de micro-tomographie par projection optique (OPT) in-situ de la fibre en utilisant la technique de l’holographie numérique. Le manuscrit de thèse est organisé autour de quatre chapitres. Le premier chapitre dresse un état de l’art des fibres micrométriques et des méthodes les plus courantes utilisées pour caractériser leurs propriétés mécaniques. Le second chapitre est dédié à l’aspect théorique de la propagation des ondes acoustiques guidées dans une structure cylindrique (cylindre plein, tubes, section arbitraire). Pour prédire la propagation des ondes acoustiques guidées dans ces structures, un ensemble de méthodes sont présentées. Le troisième chapitre se consacre à l’étude expérimentale des propriétés élastiques et du comportement vibratoire des fibres micrométriques en utilisant la technique USL. Le dernier chapitre du manuscrit présente le principe de la méthode OPT basée sur la microscopie holographie numérique, effectuée in-situ sur la zone USL de la section de la fibre, qui sera utilisée dans le cas d’une fibre unitaire de lin pour connaître sa vraie forme 3D<br>This thesis focuses on the study of elastic and damping properties of micrometric fibers that are used for the reinforcementof composite materials. Homogeneous and circular artificial fibers were studied experimentaly by the application of the laser ultrasonics (LU) technique, which was coupled to modal identification based on the simulation of the vibration modes using finite element modeling. In the case of plant fibers, the application of the LU method requires prior knowledge of the 3D geometry of the single fiber in the measurement area. In order to determine the geometry of the fiber, we have developed anin-situ optical projection micro-tomography (OPT) device using the digital holography technique. This PhD thesis is organized around four chapters. The first chapter provides a state of the art of the micrometric fibers and the most common methods used to characterize their mechanical properties. The second chapter is elevated to numerical methods of calculation of the propagation of guided acoustic waves in cylindrical structures (solid cylinder, pipes, arbitrary cross-section). In order to predict the propagation of guided acoustic waves in such structures, several methods are presented. The third chapter is devoted to the experimental study of elastic properties and vibrational behavior of micrometric fibers using laser ultrasonics technique (LU). The last chapter of the manuscript presents the principle of the OPT method based on digital holography microscopy, performed in situ on the LU measurement area of the fiber, which will be used tocollect the actual 3D shape of a single flax fiber

Le contrôle santé des structures (plus connu sous l’acronyme SHM pour Structural Health Monitoring) consisteà intégrer des capteurs dans une structure afin de suivre son état de santé en temps réel tout au long de sa vie.Les travaux de recherche menés dans cette thèse avaient pour objectif de développer une nouvelle approchede SHM pour la détection de corrosion/érosion dans les tuyaux. Ce manuscrit présente une nouvelle méthoded’imagerie quantitative, dite tomographie passive par ondes élastiques guidées, basée sur l’utilisation d’un réseauembarqué de capteurs piézoélectriques (PZT) écoutant et analysant uniquement le bruit élastique ambiant générénaturellement par la circulation de fluide dans des tuyaux. Cette technique passive offre de nombreux atouts pourun système SHM comme une diminution de sa consommation énergétique, un système électronique simplifié etla possibilité de réaliser une inspection lorsque la structure est en fonctionnement. La méthode passive permetaussi d’utiliser des nouveaux capteurs de type réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG) qui présentent plusieursavantages par rapport aux capteurs classiques PZT (faible intrusivité, possibilité de multiplexage, résistance auxenvironnements sévères, etc.) mais qui ne sont pas capable d’émettre des ondes. Une première démonstration defaisabilité d’imagerie de corrosion/érosion par FBG est illustrée expérimentalement au travers d’une tomographiehybride dans laquelle l’émission d’ondes est réalisée par PZT et la réception par FBG. Toutes ces études offrent desperspectives prometteuses en vue de l’application de la tomographie passive sur des structures industrielles à l’aided’un système purement FBG. Parmi les principaux résultats présentés dans la thèse, nous montrons que les défautsde corrosion/érosion peuvent être caractérisés par tomographie sur un tube droit sans nécessité de recourir à unétat de référence. Cela est faisable à l’aide d’une nouvelle méthode d’auto-calibration des données développée danscette thèse et utilisée pour réaliser l’imagerie par tomographie. L’absence d’un état de référence rend la méthodetrès fiable et limite les fausses alarmes du système. Finalement, des études préliminaires de tomographie sur desstructures plus complexes comme un tube coudé ont été menées et validées numériquement<br>Structural Health Monitoring (SHM) consists in embedding sensors into a structure in order to monitor its health inreal time throughout its lifetime. The research works carried out in this thesis aimed at developing a new approachof SHM for the detection of corrosion/erosion in pipes. This manuscript presents a new quantitative imaging method,called passive elastic guided wave tomography, based on the use of an embedded network of piezoelectric sensors(PZT) listening and analyzing only the ambient elastic noise which is naturally generated by the fluid circulation inpipes. This passive method offers many advantages for a SHM system, such as reduction of energy consumption,simplified electronics and ability to perform an inspection while the structure is in operation. In addition, thispassive method makes SHM systems possible to use Fiber Bragg Grating sensors (FBG) which have several advantagesover traditional PZT sensors (low intrusivity, resistance to harsh environments, etc.) but which are not able to emitwaves. A first demonstration of the feasibility of corrosion/erosion imaging by FBG is illustrated experimentallythanks to a result obtained by hybrid tomography in which wave emission is performed by PZT and reception byFBG. All these works offer promising perspectives for the application of passive tomography on industrial structuresusing a pure FBG system. Among the various results presented in this thesis, we also show that corrosion/erosiondefects can be characterized by tomography on a straight pipe without the need for a baseline measurement in apristine state. It is feasible by using a new method of auto-calibration of the data used for tomography. The absenceof baseline measurement makes the method very reliable and avoid false alarms of the system. Finally, preliminarystudies on tomography for more complex structures such as a bended pipe have been realized and validated throughsimulations