Tesis sobre el tema "Ondes ultrasonores guidées"

Le Contrôle Non Destructif (CND) de matériaux est en forte expansion dans les domaines de l’aéronautique, de l’aérospatial, des transports et bien d’autres. Les ondes ultrasonores guidées constituent un moyen puissant pour la mise en œuvre du CND, car elles se propagent sur de grandes distances tout en interrogeant les structures à cœur. L’emploi de transducteur à couplage par air, disposés d’un même coté, permet de faire du CND sans contact et sans démontage des pièces testées. Cette thèse a consisté à modéliser, en 3 dimensions et par éléments finis, un système de CND ultrasonore à ondes guidées. Le modèle prend en compte la taille finie des transducteurs, l’ouverture angulaire des faisceaux, la diffraction dans toutes les directions, l’anisotropie, la viscoélasticité et l’hétérogénéité des matériaux. Les prédictions numériques sont systématiquement comparées à des mesures expérimentales. Trois structures ont été étudiées avec succès : une plaque en aluminium avec un trou, une plaque en verre-époxyde avec un dommage causé par impact, un réservoir haute pression ASTRIUM pourvu d’un décollement entre son liner en Titane et son bobinage en carbone-époxyde
The Non Destructive Testing (NDT) of materials is rapidly expanding in the fields of aeronautics aerospace, transportation, and so on. Guided ultrasonic waves are a powerful means for the implementation o the NDT because they can spread over large distances while interviewing through structures. The use of air coupled transducer allows both non-contact NDT and non-disassembly of tested parts. This thesis is mainly about three-dimensional finite element modelling, and an ultrasonic NDT system based on guided waves. The model takes into account the finite size transducers, the angle of beam diffraction in all directions, anisotropy viscoelasticity and heterogeneity of materials. The numerical predictions are systematically compared with experimental measurements. Three specimens have been studied with success: an aluminium plate with a hole glass-fibre plate with an impact damage, a high pressure tank provided by ASTRIUM with a disbonding defec between the liner titanium layer and wound carbon - fibre

Une technique de Contrôle Non Destructif (CND) a été développée, permettant la génération et la détection d’ondes de Lamb guidées le long de grandes plaques constituées de différents matériaux (métal, polymère ou composite renforcé par des fibres). Basée sur l’emploi de nombreux éléments étroitement couplés à la plaque, cette technique d’inspection diffère du Structural Health Monitoring (SHM) classique car tous les éléments émetteurs ou récepteurs sont regroupés dans une zone très localisée, définie par la surface active d’une sonde multiélément matricielle, et ne sont pas fixés de manière permanente et distribuée au sein, ou en surface, de la structure testée. De plus, le principe (connu) du déphasage entre éléments est appliqué à la sonde pour la génération et la réception d’un mode de Lamb pur dans (ou provenant) de multiples directions le long de la plaque. Les lois de retards appliquées à ces éléments, aussi bien lorsque la sonde fonctionne en mode émission qu’en mode réception, prennent en compte la nature dispersive de l’onde de Lamb. Enfin, un traitement de signal spécifique est appliqué pour compenser la dispersion subie par les ondes guidées au cours de leur propagation le long de la pièce testée. Un prototype expérimental et sa modélisation par éléments finis sont présentés, ainsi que les mesures et les résultats simulés de ses performances en termes de sélectivité modale et de directivité angulaire. Concernant les applications de CND, la construction d’images, représentatives de toutes les parties de la pièce testée qui diffractent le mode guidé (bord de pièce, défauts, trous, raidisseurs, etc.), a permis de démontrer le potentiel (et quelques limites) de cette technique vis-à-vis d’une inspection rapide de grandes structures, y compris de zones éloignées de la sonde ou encore de zones difficiles d’accès
A technique of Non-Destructive Testing (NDT) was developed for the generation and detection of Lamb waves propagating along large plates made of different materials (metal, polymer or fibre-reinforced composite). Based on the use of many elements closely coupled to the plate, this inspection technique differs from the classic Structural Health Monitoring (SHM) because all the transmitters or receivers are grouped in a very localized area, defined by the active surface of a phased array matrix probe, and are not permanently attached and distributed within or on the surface of the test structure. In addition, the principle (known) of the phase shift between the elements is applied to the probe for generating and receiving a pure Lamb mode in (or from) multiple directions along the plate. The delay laws applied to these elements, in transmit mode or receive mode, take into account the dispersive nature of the Lamb wave. Finally, a specific signal processing is applied to compensate the dispersion suffered by the guided waves during their propagation along the test piece. An experimental prototype and its finite element modeling are presented, as well as measurements and simulation results of its performances in terms of modal selectivity and angular directivity. For NDT applications, the construction of images, representing all parts of the test piece, which diffract the guided mode (edges, defects, holes, stiffeners, etc.), has demonstrated the potential (and some limits) of this technique for a quick inspection of large structures, including areas remote from the probe or areas difficult to access

La mise en oeuvre de systèmes de détection de défauts à même les structures ou infrastructures en génie est le sujet d’étude du Structural Health Monitoring (SHM). Le SHM est une solution efficace à la réduction des coûts associés à la maintenance de structures. Une stratégie prometteuse parmi les technologies émergentes en SHM est fondée sur l’utilisation d’ondes ultrasonores guidées. Ces méthodes sont basées sur le fait que les structures minces agissent comme guides d’ondes pour les ondes ultrasonores. Puisque les structures aéronautiques sont majoritairement minces, les ondes guidées constituent une stratégie pertinente afin d’inspecter de grandes surfaces. Toutefois, les assemblages aéronautiques sont constitués de plusieurs éléments modifiant et compliquant la propagation des ondes guidées dans celles-ci. En effet, la présence de rivets, de raidisseurs, de joints ainsi que la variation de la nature des matériaux utilisés complexifie la propagation des ondes guidées. Pour envisager la mise en oeuvre de systèmes de détection basés sur les ondes guidées, une compréhension des interactions intervenant dans ces diverses structures est nécessaire. Un tel travail entre dans le cadre du projet de collaboration CRIAQ DPHM 501 dont l’objectif principal est de développer une banque de connaissances quant à la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. Le travail de ce mémoire présente d’abord les résultats d’études paramétriques numériques obtenus dans le cadre de ce projet CRIAQ. Puis, afin de faciliter la caractérisation expérimentale de la propagation des ondes guidées, une seconde partie du travail a porté sur le développement d’un absorbant d’ondes guidées. Cet absorbant permet également d’envisager l’extension des régions observables par les systèmes SHM. Ce deuxième volet contribue donc également au projet CRIAQ par l’atténuation de réflexions non désirées dans l’étude menée sur les maintes structures aéronautiques nourrissant la banque de connaissances. La première partie de ce mémoire relève l’état des connaissances de la littérature sur la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. La deuxième partie présente rapidement le formalisme derrière les ondes de Lamb ainsi que les différentes approches analytiques pour caractériser les interactions entre ondes guidées et discontinuités. Par la suite, les outils utilisés pour effectuer les simulations par éléments finis sont présentés et validés par le biais d’une phase expérimentale. La deuxième partie se termine avec la présentation des différentes structures et discontinuités étudiées dans le cadre du projet CRIAQ. Finalement, la troisième et dernière partie de ce mémoire présente les travaux numériques orientés vers la conception d’un absorbant idéal pour ondes guidées. Afin d’y parvenir, une étude paramétrique quant à la forme, les dimensions et les propriétés mécaniques de l’absorbant est entreprise. Enfin, une étude expérimentale permettant de valider les résultats numériques est présentée.

La thèse s’inscrit dans les travaux du CEA LIST pour développer dans la plate-forme CIVA un module simulant le contrôle non-destructif (CND) par ondes ultrasonores guidées ; elle est dédiée au développement et à la validation de modèles simulant l’inspection de canalisations et se focalise sur le cas de canalisations comportant un ou plusieurs coudes. Pour prédire l’effet de la courbure sur les ondes guidées, une extension en coordonnées curvilignes de la méthode des éléments finis semi-analytiques est réalisée pour calculer les modes se propageant dans un coude, par résolution d’un système d’équations aux valeurs propres restreint à la section du guide. Ce développement a aidé à comprendre les effets de distorsion des champs ultrasonores et de décalage des fréquences de coupures dus à la courbure. La diffraction des ondes à la jonction entre un tube droit et un coude est ensuite calculée par raccordement modal donnant la matrice de diffraction de la jonction ; les éléments de la matrice s’obtiennent par évaluation numérique d’intégrales à la surface de la jonction. Les matrices de diffractions locales sont enfin combinées à des matrices de propagation pour rendre compte de la présence de plusieurs diffracteurs sur la canalisation, sous forme d’une matrice globale de diffraction. Le coût minimal de son calcul permet d’étudier l’influence des paramètres de contrôle et de les optimiser. Les modèles sont validés en comparant leurs prédictions avec des résultats numériques et expérimentaux de la littérature et des mesures faites au CETIM sur maquettes industrielles. Intégrés à la plate-forme CIVA, ils étendent les possibilités du module de simulation du CND par ondes guidées
The thesis is in the framework of developments made at CEA LIST of a module of the CIVA platform to simulate nondestructive testing (NDT) by ultrasonic guided waves; it is dedicated to the development and the validation of models simulating the examination of pipelines and is focussed on the case of pipeline comprising one or several elbows. To predict effects due to the curvature on guided waves, an extension in curvilinear coordinates of the semi-analytic finite element method is worked out to compute modes propagating in an elbow, by solving an eigen system restricted to the guide section. This development allows us to better understand effects due to the curvature such as displacement field distortions or cut-off frequencies splits. The scattering of waves at the junction between a straight tube and an elbow is then computed by means of the mode-matching method, leading to the modal scattering matrix of the junction; matrix elements are obtained by numerical evaluation of integrals over the junction surface. Local scattering matrices are finally combined to propagation matrices to account for the presence of several scatterers in the pipeline, to form a global scattering matrix. Its minimal computation cost allows us to study the influence of the parameters of the testing configuration and to optimize them. Models are validated by comparing their predictions to numerical and experimental results of the literature and to measurements made at CETIM on industrial mock-ups. Integrated in the platform CIVA, the developed models extend the capabilities of the guided wave NDT module

Les collages ont pris une part de plus en plus importante dans le monde de l’industrie aérospatiale ces dernières années. Il s’agit essentiellement de collages structuraux dont le niveau de fiabilité attendu est très élevé. Cependant, le contrôle de leur état de santé après fabrication et au cours de leur vie reste un frein essentiel à leur utilisation. Il convient en effet de contrôler les endommagements liés à l’environnement extérieur et aux conditions de contraintes et de sollicitations thermiques. Pour le moment, les contrôles effectués sont des tests destructifs, très couteux. Le but de la thèse est de participer au développement d’une méthode de contrôle non destructif. Pour cela, des recherches bibliographiques ont mené à l’utilisation des ondes guidées ultrasonores qui permettent une investigation des collages sur de longues distances. La simulation de la propagation de ces ondes guidées a consisté en un modèle éléments finis en deux dimensions dans lequel le concept de raideur d’interface est introduit afin de prendre en compte des variations de la valeur de l’adhésion. Les études numériques ont permis de prévoir avec quels modes et à quelles fréquences obtenir des sensibilités à des défauts de type cohésif (absence de colle) mais aussi adhésif (pollution d’interface, sablage). Leurs résultats ont été confrontés à ceux expérimentaux obtenus sur des joints collés à simple recouvrement. Il a été observé que les modes de Lamb A0 et S0 et le mode de cisaillement horizontal SH0 étaient sensibles de façon plus ou moins importante à ces défauts. Ces résultats ont ensuite été discutés grâce à l’étude de certains facteurs influant sur la transmission des ondes guidées
Abstract

L'évolution de la surveillance de l'état des structures (SHM) au cours des dernières années a vu émerger des réseaux de capteurs indépendants à faibles ressources matérielles. Cependant, les signaux enregistrés par ces capteurs pour faire de l'imagerie passive peuvent présenter des désynchronisations qui rendent difficile la localisation des endommagements dans la structure inspectée. Bien que la technique de pic de corrélation (PCT), reposant sur la symétrie des fonctions de corrélation de bruit, puisse être appliquée pour corriger ces décalages, une synchronisation parfaite est difficile à atteindre en présence de bruit électronique et/ou de reconstruction de la fonction de Green. Dans ce manuscrit, une étude du comportement des erreurs résiduelles liées à une resynchronisation imparfaite, en fonction des paramètres statistiques du bruit, est menée. Puis, la dégradation du contraste des images de localisation des défauts est quantifiée en fonction de l'écart type de ces erreurs de resynchronisation. Par la suite, un processus basé sur la pseudo-inversion de Moore-Penrose est développé pour minimiser ces erreurs et améliorer la qualité des images de localisation. Cette étude est ensuite étendue au cas de la localisation de défauts à diffusion anisotrope. Enfin, une étude de faisabilité est effectuée sur un réseau de capteurs communicants sans fil
The evolution of structural health monitoring (SHM) in recent years has witnessed the emergence of independent sensor networks with limited material resources. However, the signals recorded by these sensors for passive imaging can exhibit desynchronizations that make it difficult to locate damage in the inspected structure. Although the peak correlation technique (PCT), based on the symmetry of noise correlation functions, can be applied to correct these offsets, achieving perfect synchronization is challenging in the presence of electronic noise and/or reconstruction of the Green's function. In this manuscript, a study of the behavior of residual errors associated with imperfect resynchronization, as a function of the statistical parameters of noise, is conducted. Then, the degradation of the contrast of defect localization images is quantified as a function of the standard deviation of these resynchronization errors. Subsequently, a process based on the Moore-Penrose pseudo-inversion is developed to minimize these errors and improve the quality of the localization images. This study is then extended to the case of defect localization with anisotropic scattering. Finally, a feasibility study is carried out on a network of wireless communicating sensors

Ce projet de thèse est motivé par la forte demande industrielle d’un procédé non destructif, sans contact, avec un accès unilatéral aux échantillons caractérisés et relativement simple de mise en œuvre, permettant de quantifier les caractéristiques mécaniques de matériaux, notamment composites (matériaux fibreux, assemblages collés) et, si possible, leur épaisseur. Le travail mené a conduit à la conception et l'élaboration d’une paire de transducteurs ultrasonores à couplage air, dédiés à la génération et la détection simultanées d'ondes guidées le long de plaques composites. La dépendance du nombre d'onde des modes guidés aux modules d’élasticité du matériau constituant en tout ou en partie le guide, ainsi qu’à l'épaisseur de celui-ci, est tout d’abord étudiée à l'aide d'un modèle permettant de prédire la sensibilité des nombres d'onde des modes de Lamb aux caractéristiques du matériau. Cela a permis de définir les modes cibles les plus porteurs d’information sur les propriétés recherchées i.e. rigidité et/ou épaisseur, la masse volumique étant systématiquement supposée connue dans l'approche choisie. Cette connaissance, associée à une campagne de simulations numériques qui imitent le procédé expérimental, a servi de base pour concevoir les transducteurs ultrasonores les plus adaptés pour la génération et la détection des modes en question. Plus précisément, la forme, la dimension et l'ouverture angulaire optimales des transducteurs ont été ainsi définies. Les transducteurs ont alors été fabriqués et caractérisés (mesure de leur bande passante en fréquence et de leur spectre angulaire). Leur première utilisation a été faite pour générer et détecter simultanément cinq modes de Lamb le long d’une plaque en plexiglas (isotrope et de propriétés connues). Les signaux ultrasonores mesurés ont été traités pour extraire les nombres d'onde des modes propagés, dans une plage de fréquence de quelques centaines de kHz. Ces données expérimentales ont ensuite été utilisées pour résoudre un problème inverse visant à déterminer les modules d’élasticité et l'épaisseur de la plaque. Plusieurs algorithmes d'optimisation ont été testés et le plus performant (rapide et robuste vis-à-vis des valeurs initiales choisies) a été sélectionné. Les modules de rigidité et l’épaisseur de la plaque en Plexiglas ont été retrouvés avec succès. Ensuite, le procédé a été testé avec deux assemblages composites : un matériau constitué de couches faites de fibres de carbone et matrice époxy, puis un assemblage aluminium-colle-aluminium. Dans le premier cas, six modules d’élasticité ont été évalués à partir des mesures de trois ou quatre modes guidés propagés dans deux directions de propagation. Pour le second assemblage, le module d’Young et le coefficient de Poisson de la colle ainsi que l'épaisseur du joint collé ont été estimés, en supposant connues les caractéristiques des deux substrats en aluminium. L’ensemble des valeurs optimisées a été validé par des mesures faites avec des procédés existants et éprouvés, mais opérant en immersion et en transmission
This thesis project is motivated by a strong industrial demand for a non-destructive, contact-less process, with single-sided access to samples and relatively easy to implement, to quantify elastic moduli and thickness of materials, particularly of composites (fibrous materials, bonded assemblies). The work carried out led to the design and development of a pair of air-coupled ultrasonic transducers, dedicated to the simultaneous generation and detection of guided waves along composite plates. The dependence of the wavenumber of guided modes on the elastic moduli of the material constituting all or part of the guide, as well as on its thickness, was first studied using a model that predicts the sensitivity of Lamb wave mode wavenumbers to the material's properties. This allowed for the identification of the target modes that carry the most information about the desired properties, i.e., stiffness and/or thickness, with the density being systematically assumed to be known in the chosen approach. This knowledge, combined with a series of numerical simulations mimicking the experimental process, served as a basis for designing the most suitable ultrasonic transducers for the generation and detection of the relevant modes. More specifically, the optimal shape, size, and angular aperture of the transducers were thus defined. The transducers were then manufactured and characterized (measuring their frequency bandwidth and angular spectrum). Their first use involved simultaneously generating and detecting five Lamb modes along a Plexiglas plate (isotropic with known properties). The measured ultrasonic signals were processed to extract the wavenumbers of the propagated modes within a frequency range of a few hundred kHz. These experimental data were then used to solve an inverse problem aimed at determining the elastic moduli and thickness of the plate. Several optimization algorithms were tested, and the most efficient one (fast and robust with respect to the initial values chosen) was selected. The stiffness moduli and thickness of the Plexiglas plate were successfully recovered. Next, the process was tested for two composite assemblies: a stratified plate made up of unidirectional carbon epoxy and an aluminum/adhesive/aluminum tri-layer assembly. In the first case, six elastic moduli were evaluated from measurements of three or four Lamb modes propagating along two directions. For the second assembly, the Young's modulus and Poisson's ratio as well as the thickness of the adhesive were estimated, assuming the characteristics of both aluminum substrates were known. All the optimized values have been validated by characterization made with existing, robust processes, but operating in immersion and requiring through-transmission

Résumé : La surveillance de l’intégrité des structures (Structural Health Monitoring - SHM) est une nouvelle technologie, et comme toute nouvelle avancée technologique, elle n’a pas encore réalisé son plein potentiel. Le SHM s’appuie sur des avancées dans plusieurs disciplines, dont l’évaluation non-desctructive, les matériaux intelligents, et les capteurs et actionneurs intégrés. Une des disciplines qui permet son déploiement est la simulation numérique. Le SHM englobe une variété de techniques basées sur la génération d’ondes vibratoires et d’ondes ultrasonores guidées. L’utilisation d’ondes guidées offre en particulier une vaste gamme d’avantages. Le défi majeur associé à la pleine utilisation de la simulation numérique dans la conception d’un système SHM basé sur l’utilisation d’ondes guidées réside dans les ressources de calcul requises pour une simulation précise. La principale raison pour ces exigences est la dispersion induite par la discrétisation numérique, tel qu’indiqué dans la littérature. La méthodes des éléments spectraux (SEM) est une variante de la p-version de la méthode des éléments finis (FEM) qui offre certains outils pour solutionner le problème des erreurs de dispersion, mais la littérature souffre toujours d’une lacune dans l’étude systématique des erreurs de dispersion numérique et de sa dépendance sur les paramètres de simulation. Le présent ouvrage tente de combler cette lacune pour les théories d’ingénierie en vibrations. Il présente d’abord le développement de la formulation des éléments spectraux pour différentes théories d’ingénierie pertinentes pour la propagation des ondes vibratoires dans différents types de structures, comme des tiges et des plaques. Puis, une nouvelle technique pour le calcul des erreurs de dispersion numériques est présentée et appliquée systématiquement dans le but d’évaluer la dispersion numérique induite en termes d’erreurs dans les vitesses de propagation. Cette technique est utilisable pour les différentes formes de propagation des ondes vibratoires dans les éléments structuraux visés dans la présente thèse afin d’évaluer quantitativement les exigences de précision en termes de paramètres de maillage. Les ondes de Lamb constituent un cas particulier de la déformation plane des ondes élastiques, en raison de la présence des doubles frontières à traction libre qui couplent les ondes longitudinales et de cisaillement et qui conduisent à une infinité de modes propagatifs qui sont dispersifs par nature. La simulation des ondes de Lamb n’a pas fait l’objet d’analyse systématique de la dispersion numérique dans la littérature autant pour la SEM que la FEM. Nous rapportons ici pour la première fois les résultats de l’analyse de dispersion numérique pour la propagation des ondes Lamb. Pour toutes les analyses de dispersion numérique présentées ici, l’analyse a été effectuée à˘ala fois dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel. En se basant sur la nouvelle compréhension des effets de discrétisation numérique de la propagation des ondes guidées, nous étudions l’application de la SEM à la simulation numérique pour des applications de conception en SHM. Pour ce faire, l’excitation piézoélectrique est développée, et une nouvelle technique de condensation statique est développée et mise en œuvre pour les équations de la matrice semi-discrète, qui élimine le besoin de solution itérative, ainsi surnommée fortement couplée ou entièrement couplée. Cet élément piézoélectrique précis est ensuite utilisé pour étudier en détails les subtilités de la conception d’un système SHM en mettant l’accent sur la propagation des ondes de Lamb. Afin d’éviter la contamination des résultats par les réflexions sur les bords une nouvelle forme particulière d’élément absorbant a été développée et mise en œuvre. Les résultats de simulation dans le domaine fréquentiel jettent un éclairage nouveau sur les limites des modèles théoriques actuels pour l’excitation des ondes de Lamb par piézoélectriques. L’excitation par un élément piézoélectrique couplé est ensuite entièrement simulée dans le domaine temporel, et les résultats de simulation sont validés par deux cas de mesures expérimentales ainsi que par la simulation classique avec des éléments finis en utilisant le logiciel commercial ANSYS. // Abstract : Structural health monitoring (SHM) is a novel technology, and like any new technological advancement it has yet not realized its full potential. It builds on advancements in several disciplines including nondestructive evaluation, smart materials, and embedded sensors and actuators. One of the enabling disciplines is the numerical simulation. SHM encompasses a variety of techniques, vibration based, impedance and guided ultrasonic waves. Guided waves offers a wide repertoire of advantages. The major challenge facing the full utilization of the numerical simulation in designing a viable guided waves based SHM System is the formidable computational requirements for accurate simulation. The main reason for these requirements is the dispersion induced by numerical discretization as explained in the literature review. The spectral element (SEM) is a variant of the p-version finite element (FEM) that offers certain remedies to the numerical dispersion errors problem, yet it lacks a systematic study of the numerical dispersion errors and its dependence on the meshing parameters. The present work attempts to fill that gap for engineering theories. It starts by developing the formulation of the spectral element for different relevant engineering theories for guided waves propagation in various structural elements, like rods and plates. Then, extending the utility of a novel technique for computing the numerical dispersion errors, we systematically apply it in order to evaluate the numerically induced dispersion in terms of errors in the propagation speeds. This technique is employed for the various forms of guided waves propagation in structural elements covered in the present thesis in order to quantitatively assess the accuracy requirements in terms of the meshing parameters. The Lamb guided waves constitute a special case of the plane strain elastic waves, that is due to the presence of the double traction free boundaries, couple in the section plane and this coupling leads to an infinitude of propagating modes that are dispersive in nature. Lamb waves simulation have not been a subject of numerical dispersion analysis in the open literature neither for SEM nor FEM for that matter. We report here for the first time the numerical dispersion analysis results for Lamb waves propagation. For all the numerical dispersion analysis presented here, the analysis was done for both the frequency domain and time domain analysis. Based on the established understanding of the numerical discretization effects on the guided waves propagation, we utilize this knowledge to study the application of SEM to SHM simulations. In order to do so the piezoelectric excitation is developed, and a new static condensation technique is developed for the semidiscrete matrix equations, that eliminate the need for iterative solution, thus dubbed strongly coupled or fully coupled implementation. This accurate piezoelectric element are then used to study in details the intricacies of the design of an SHM system with specific emphasis on the Lamb waves propagation. In order to avoid the contamination of the results by the reflections from the edges a new special form of absorbing boundary was developed and implemented. The Simulation results in the frequency domain illuminated the limitations of the current theoretical models for piezoelectric excitation of Lamb waves. The piezoelectric excitation of a fully coupled element is then simulated in the time domain, and the results of simulation was verified against two cases of experimental measurements as well as conventional finite element simulation using the commercial software ANSYS.

Le contrôle non destructif (CND) de matériaux est de plus en plus répandu dans le secteur aéronautique et les industries du transport. Parmi la diversité des procédés existants, les techniques ultrasonores occupent une place croissante grâce à leur niveau élevé de performances pour des mises en oeuvres et des coûs raisonnables. Dans ce contexte, les ondes guidées jouent un rôle important pour l'inspection de grandes structures, car elles ont la faculté de pouvoir se propager sur de longues distances, tout en étant peu atténuées. Le CND faisant intervenir les ondes guidées est basé sur le fait qu'une onde se propogeant dans un guide est diffracté par un défaut, partageant alors son énergie entre plusieurs ondes, dont les amplitudes relatives dépendent de la géométrie, de la dimension, et de la localisation de ce défaut. Les phénomènes de diffraction sont donc complexes. Pour aider à leur compréhension, les éléments finis (EF) sont très utilisés, mais sont aussi très couteux en puissance de calculs. Le travail de cette thèse a consisté à mettre au moint une méthode de post-traitement de données EF qui a pour conséquence directe une réduction significative de la taille des modèles. Cette méthode utilise des relations d'orthogonalité pour la décomposition modale d'un champ acoustique diffracté. Elle a d'abord été développée pour des problèmes bidimentionnels de plaques multicouche, anisotropes et viscoélastques, puis a été étendue au cas tridimensionnel de plaques isotropes et homogènes, avec un défaut de géométrie simple ou complexe.

Différents modèles sont développés de façon à constituer des outils génériques pour la simulation de méthodes de contrôle non-destructif par ondes élastiques guidées de plaques métalliques ou composites. Diverses méthodes de contrôle de ces structures existent ou sont à l’étude. La plupart font appel à des sources ultrasonores de taille finie ; toutes sont confrontées aux phénomènes de réflexion résultant de la taille finie des objets contrôlés. Les modèles développés traitent des phénomènes de diffraction associés aux sources et de réflexion sur un bord de plaques. Comme l’interprétation des signaux mesurés lors de contrôle par ondes guidées fait souvent appel à la notion de modes guidés, les modèles sont eux-mêmes modaux. Les cas de plaques isotropes (métalliques) et anisotropes (composites multicouches) sont considérés ; une approche générale suivant l’approximation de la phase stationnaire permet de traiter tous les cas d’intérêt. Pour les premiers, la validité d’une approximation de type Fraunhofer permet de traiter très efficacement les champs directs et réfléchis rayonnés par une source. Pour les derniers, une attention particulière est portée sur le traitement des caustiques. La méthode de la phase stationnaire étant difficile à généraliser, un modèle de pinceau, de nature plus géométrique, est proposé présentant un haut degré de généricité. Il met en cascade des termes de propagation en milieu isotrope ou anisotrope et d’interaction avec une frontière. L’équivalence de la méthode de la phase stationnaire au modèle de pinceau est démontrée pour le rayonnement et la réflexion dans une plaque isotrope, cas faisant l’objet d’une validation expérimentale
Different models are developed to provide generic tools for simulating nondestructive methods relying on elastic guided waves applied to metallic or composite plates. Various inspection methods of these structures exist or are under study. Most of them make use of ultrasonic sources of finite size; all are sensitive to reflection phenomena resulting from the finite size of the monitored objects. The developed models deal with transducer diffraction effects and edge reflection. As the interpretation of signals measured in guided wave inspection often uses the concept of modes, the models themselves are explicitly modal. The case of isotropic plates (metal) and anisotropic (multilayer composites) are considered; a general approach under the stationary phase approximation allows us to consider all the cases of interest. For the first, the validity of a Fraunhofer-like approximation leads to a very efficient computation of the direct and reflected fields radiated by a source. For the second, special attention is paid to the treatment of caustics. The stationary phase approximation being difficult to generalize, a model (so-called “pencil model”) of more geometrical nature is proposed with a high degree of genericity. It chains terms of isotropic or anisotropic propagation and terms of interaction with a boundary. The equivalence of the stationary phase approximation and the pencil model is demonstrated in the case of the radiation and reflection in an isotropic plate, for which an experimental validation is proceeded

A l’ère de l’industrie 4.0, la maintenance prédictive d’une part et les objets-connectés d’une autre part ne cessent de gagner du terrain. Ladite maintenance n’exploite pas ou peu la surveillance de l’intégrité des structures (connue plus par SHM, l’acronyme de son appellation anglaise) par notamment les ondes ultrasonores guidées (OUG). L’objectif final de la thèse est de développer un outil permettant de renforcer ce type de maintenance. Le SHM est une approche émergente qui permet d’assurer un contrôle en continue de la santé structurelle. Elle se fait généralement en trois étapes principales : acquisition de données, détection et localisation de défaut (diagnostic) et estimation de la durée de vie résiduelle de la structure (pronostic). La première étape requiert l’utilisation des systèmes de contrôle non destructif tels que les OUG dans la présente thèse. Cependant, ces systèmes ont été destinés à réaliser du contrôle ponctuel et nécessite l’intervention d’un personnel qualifié. Dans ce travail de thèse, un système de génération et d’acquisition de données d’OUG, permettant entre-autres de connecter la structure à surveiller à un réseau cellulaire, a été développé. Ceci permet la construction de bases de données (pouvant être hétérogènes) d’une façon automatique et à bas coût. En outre, une attention particulière a été accordée à l’optimisation de son alimentation électrique afin de garantir le plus d’autonomie possible. La deuxième étape consiste à exploiter ces données afin de détecter la présence éventuelle de défaut et de le localiser. Trois approches ont été proposées en fonction notamment de la puissance de calcul nécessaire et du degrés de non-stationnarité de ces données (i.e. dues à l’instabilité de l’environnement de la structure et dudit système de mesure). Les trois approches reposent sur la technique de détection de nouveauté. Dans le cas où un défaut est détecté, les algorithmes de prédiction de l’évolution de celui-ci dans le temps peuvent être utilisés afin d’estimer la durée de vie résiduelle de la structure ce qui constitue la dernière étape de surveillance. Ici, une méthodologie basée sur un algorithme hybride, utilisant la technique de décomposition en modes empirique et un modèle autorégressif intégré à moyenne mobile, a été développée. Les résultats obtenus sur des structures placées en laboratoire et in-situ montre la pertinence de la méthodologie de surveillance proposée. D’autres travaux complémentaires sont néanmoins nécessaires afin d’améliorer la maturation technologique du système développé
In the Industry 4.0 era, predictive maintenance and internet-of-things are gaining ground. This kind of maintenance does not include yet structural health monitoring (SHM) by guided ultrasonic waves (UGW) in particular. The final objective of the thesis is to develop a tool to enhance this type of maintenance. SHM is an emerging approach that allows continuous monitoring of the structural health of a given structure. It is generally done in three main steps: data acquisition, defect detection and localization (diagnosis) and estimation of the residual life (prognosis). The first step requires the use of non-destructive testing systems such as that of UGW in this thesis. However, these systems were designed to perform spot checks and require the intervention of qualified operators. In this thesis, a system of generation and acquisition of UGW data, allowing among other things to connect the structure to be monitored to a cellular network, has been developed. This allows the construction of databases (which can be heterogeneous) in an automatic and low-cost way. Moreover, a particular attention was paid to the optimization of its power supply to guarantee the most autonomy possible. The second step consists in exploiting these data in order to detect the defect and to localize it. Three approaches have been proposed, depending on the required computing power and the degree of non-stationarity of the data (i.e. due to the instability of the environment of the structure and of the said measurement system). All three approaches are based on the novelty detection technique. In the case where a defect is detected, prediction algorithms of its evolution in time can be used to estimate the residual life of the structure, which is the last monitoring step. Here, a methodology based on a hybrid algorithm, using the empirical mode decomposition technique and an integrated moving average autoregressive model, has been developed. The results obtained on laboratory and in-situ structures show the relevance of the proposed monitoring methodology. Nevertheless, further work is needed to improve the technological maturation of the developed system

Les systèmes SHM (Structural Health Monitoring) basés sur la propagation d’ondes ultrasonores guidées sont utilisés pour des structures de grandes dimensions, par exemple dans les secteurs de l’aéronautique ou du génie civil. Les ondes de Lamb ou SH sont généralement employées car elles se propagent sur de longues distances dans des structures planes tout en sondant l’épaisseur des pièces. Cependant, des modes moins conventionnels se propagent dans les guides d’ondes de section droite finie, tels que les barreaux, les rails ou les tuyaux. Le nombre de modes peut être très élevé dans ce type de guide, et il est important de bien sélectionner un mode particulier.Les méthodes actuelles de sélectivité modale, basées sur l’emploi de plusieurs émetteurs,considèrent habituellement des éléments PZT identiques (même sensibilité, même réponse en fréquence...) et ne prennent pas en compte les conditions réelles de montage et leurs éventuelles imperfections (couplage variable entre traducteurs, mauvais alignement, différence de réponse de l’électronique...). Ce travail présente une méthodologie générale pour la sélectivité modale dans des guides à section droite finie, à l’aide de plusieurs éléments piézoélectriques disposés à leur surface. Cette sélectivité est basée sur la mesure expérimentale préalable, à l’aide d’un vibromètre laser 3D, des amplitudes des modes générés par chaque élément excité individuellement.Une procédure d’optimisation permet d’inverser le problème afin de maximiser l’amplitude du mode désiré, alors obtenue en excitant simultanément tous les émetteurs. Le problème à inverser requiert la connaissance des courbes de dispersion ainsi que des déformées modales des modes,obtenues en utilisant la méthode SAFE 2D. La méthodologie est testée à travers des simulations numériques et des mesures expérimentales sur un barreau d’aluminium de section rectangulaire instrumenté avec huit éléments PZT à sa surface. L’efficacité de la méthode pour générer différents modes purs, mais aussi pour détecter et localiser des défauts calibrés, est démontrée sur le barreau d’aluminium. Son fort potentiel pour des applications de SHM de structures plus complexes est étudié, tels qu’un rail ou un assemblage collé de matériaux composites
SHM systems (Structural Health Monitoring) based on ultrasonic guided waves propagation are used for large structures, e.g. in Aerospace or Civil Engineering. Lamb or SH waves are usually employed as they propagate over long distances in plate-like structures while probing the entire thickness. However less conventional modes propagate in wave guides with finite crosssection,such as bars, rails or pipes. The number of modes can be very high even at low frequencyin this type of guide, and it is important to carefully select a specific mode. Current methods for modal selectivity, based on the use of several emitters, usually consider identical PZT elements(same sensitivity, same frequency response, etc.) and do not account for real experimental conditions and possible differences (variable coupling between transducers, flawed alignment,variable electronic response, etc.). This work presents a global methodology for modal selectivity in waveguides with finite cross-section, using several piezoelectric elements attached to their surface. This selectivity is based on experimental measurements, with a 3D laser vibrometer,of the amplitudes of the modes generated by each emitter. An optimization process allows to inverse the problem in order to maximize the amplitude of the desired mode, then generated by exciting all the emitters at once. This process requires knowing dispersion curves as well as the displacements of the various modes, calculated with SAFE 2D method. The methodology is tested through numerical simulations and experiments on an aluminium rectangular bar instrumented with 8 PZT elements on top. The method efficiency to generate different pure modes,and to detect and locate calibrated defects, is demonstrated for the aluminium bar. Its potential for SHM application of more complex structures is studied, like a rail or an adhesively bonded composite structure

Le contrôle non destructif par ondes guidées générées et détectées par des transducteurs ultrasonores à couplage par air, présente deux avantages majeurs. Le premier réside dans la capacité des ondes guidées à transporter l’information sur la qualité du milieu sur une grande distance. De plus, l’absence d’un milieu de couplage liquide entre les capteurs et le milieu à tester, rend le contrôle plus commode. Ce travail consiste d’abord à développer un procédé de simulation numérique qui prend en considération de nombreux paramètres du système de contrôle. Dans une optique de réduire le nombre de degrés de liberté, un modèle hybride a été développé qui consiste en une combinaison entre un modèle analytique basé sur l’intégrale de Kirchhoff pour la propagation des ultrasons dans l’air et un modèle éléments finis de la propagation des ondes guidées dans le matériau. La mesure des caractéristiques du transducteur à couplage par air (efficacité de l’émetteur et sensibilité du récepteur) permet, d’une part, de calculer la valeur exacte de la pression dans l’air et les valeurs exactes des champs de contraintes et de déplacements dans la structure, pour une tension et une fréquence d’excitation, et d’autre part, de remonter à la tension électrique aux bornes de ce récepteur pour une pression rayonnée par le matériau. Par suite, cette caractérisation rend possible la comparaison entre les prédictions numériques de la réponse (en niveau de tension) du système et les mesures expérimentales correspondantes. A la lumière du modèle numérique développé, une optimisation des paramètres du système de contrôle (angle, fréquence,diamètre, direction de propagation, champ proche et champ lointain) a été effectuée pour améliorer la pureté des modes guidés par le matériau. Une manipulation expérimentale, basée sur un transducteur à couplage par air pour l’émission et une sonde laser pour la réception, a été alors mise en place pour valider quelques prédictions numériques. Ensuite, on a étudié l’interaction des ondes guidées ultrasonores avec des défauts de type délaminage enfouis dans une plaque composite à symétrie quadratique. Pour cela, on a analysé la sensibilité des deux modes fondamentaux A0 et S0 au délaminage en terme de détectabilité. En parallèle, on a traité un problème inverse qui consiste à dimensionner un délaminage par le calcul du spectre fréquentiel du coefficient de réflexion. Enfin, on a mis en évidence le potentiel des transducteurs à couplage par air à ausculter des pièces aéronautiques impactées
Non-destructive testing (NDT) using guided waves generated and detected by air-coupled ultrasonic transducers have two main advantages. First, this non-contact technique without coupled medium allows obvious convenience of use. Moreover, the ability of guided waves to carry information about medium quality over long distance. In this context, a numerical model has been developed, which takes into account many parameters of the control system. In order to reduce the number of degrees of freedom, a hybrid model has been developed which consists of a combination between an analytical model, based on the Kirchhoff integral for the propagation of ultrasound in air and a finite element model for the propagation of guided waves in the material. The measured characteristics (efficiency and sensitivity) of two air-coupled transducers allow the prediction of the accurate values of the pressure of bulk waves generated in air and the measurement of the pressure of the radiated field in air by guided waves propagating in a structure. This process enables the comparison between predicted and measured guided waves modes. Based on the hybrid model, an optimization of the parameters of the control system (angle, frequency, diameter, direction of propagation, near and far field) was performed to improve the purity of guided modes along the material plate. To validate some numerical predictions, an aircoupled ultrasonic transducer is used and oriented at a specific angle chosen for generating one specific Lambmode guided along a composite plate sample, and a laser probe measures the normal velocity at different locations on the surface of the plate. Then, the interaction of ultrasonic guided waves with delamination in acomposite plate was studied. In particular, the sensitivity of the two fundamental modes A0 and S0 was analyzed in order to predict the detectability of the defect. In parallel, the inverse problem is solved and the defect size is quantified by calculating the spectrum of the reflection coefficient. Finally, the potential of air-coupled transducers to examine an aircraft structure, has been demonstrated

Un contrôle santé intégré (CSI) par ondes élastiques guidées est à l'étude, pour l'inspection des plaques aéronautiques raidies en composite multicouche. Deux outils de simulation sont développés permettant d'en discuter la faisabilité. Le premier prédit la propagation des ondes dans les plaques comme une série modale par la méthode des éléments finis semi-analytiques (SAFE). Le second outil est un calcul hybride prédisant la diffraction des ondes guidées en incidence quelconque sur un raidisseur. La diffraction est calculée localement par éléments finis (EF), la propagation globale par la méthode SAFE. Le lien entre les deux calculs se fait à travers des conditions transparentes aux frontières du domaine EF évitant les réflexions parasites, permettant la projection du champ dans le raidisseur sur les modes de la plaque et minimisant le domaine EF. Les outils sont utilisés dans des cas typiques, les prédictions sont discutées en vue de l'application industrielle du CS
Structural health monitoring (SHM) using elastic guided waves is under study for the inspection of aircraft multilayered composite stiffened plates. Two simulation tools are developed to discuss its feasibility. The first predicts the wave propagation in the plates as a modal series by the semi-analytical finite element method (SAFE). The second tool is a hybrid computing predicting diffraction of guided waves in arbitrary incidence on a composite stiffener. The diffraction is calculated locally by finite element (FE), the global propagation by the SAFE method. The link between the two calculations is done through transparent boundaries of the FE domain avoiding artificial reflections, allowing the projection of the field in the stiffener on the modes of the plate and minimizing the FE computation domain. The tools are used in typical cases, the predictions are discussed in view of the industrial application of SHM

Un contrôle santé intégré (CSI) par ondes élastiques guidées est à l'étude, pour l'inspection des plaques aéronautiques raidies en composite multicouche. Deux outils de simulation sont développés permettant d'en discuter la faisabilité. Le premier prédit la propagation des ondes dans les plaques comme une série modale par la méthode des éléments finis semi-analytiques (SAFE). Le second outil est un calcul hybride prédisant la diffraction des ondes guidées en incidence quelconque sur un raidisseur. La diffraction est calculée localement par éléments finis (EF), la propagation globale par la méthode SAFE. Le lien entre les deux calculs se fait à travers des conditions transparentes aux frontières du domaine EF évitant les réflexions parasites, permettant la projection du champ dans le raidisseur sur les modes de la plaque et minimisant le domaine EF. Les outils sont utilisés dans des cas typiques, les prédictions sont discutées en vue de l'application industrielle du CSI.

Les structures mécaniques utilisées de nos jours ne cessent d’évoluer en utilisant des matériaux composites ou à gradient fonctionnel afin de répondre aux enjeux de résistance accrue, allégement de la structure et amélioration des performances. Ceux-ci nécessitent un contrôle adéquat de leur état de santé afin de s’assurer de l’intégrité de la structure. L’utilisation des ondes guidées ultrasonores fournit un moyen efficace et rapide d’inspection sur de longues distances. Néanmoins, ces ondes présentent certaines caractéristiques complexes qui rendent la tâche très difficile. L’utilisation d’outils d’analyse tels que les modèles numériques constitue un grand atout pour ce type d’application. Dans ce contexte, l’objectif de cette de thèse est le développement d’un outil de modélisation performant, permettant d’étudier la propagation des ondes guidées ultrasonores avec une grande précision et une faible consommation de ressources et de temps de calculs. De ce fait, l’intérêt est porté sur des méthodes numériques d’ordres élevés dont les propriétés de convergence sont beaucoup améliorées que les méthodes classiques. En particulier, la méthode semi-analytique éléments finis de Galerkin discontinue pour la détermination des courbes de dispersion des ondes guidées est développée. La méthode est applicable aux structures planes et cylindriques fabriquées de matériaux isotropes, anisotropes et hétérogènes (à gradient fonctionnel de propriétés). Une étude comparative sur l’analyse des performances de ces méthodes est effectuée. Celle-ci a démontré la capacité de la méthode à modéliser la propagation des ondes guidées ultrasonores dans des guides d’ondes à section arbitraire avec des performances prometteuses par rapport à la méthode des éléments finis classique
The mechanical structures used today are constantly evolving using composite or functionally gradient materials to meet the challenges of increased strength, lightening the structure and improving performance. These require adequate control of their state of health to ensure the integrity of the structure. The use of Ultrasound Guided Waves (UGW) provides an efficient and fast way of inspection over long distances. Nevertheless, these waves have some complex features that make the task very difficult. The use of analysis tools such as numerical models is a great asset for this type of application. In this context, the objective of this thesis is the development of a powerful modeling tool, allowing to study the propagation of UGWs with a great precision, less computational time and consumption of resources. Accordingly, we are interested in higher order numerical methods whose convergence properties are much improved than the classical methods. In particular, a semi-analytical discontinuous Galerkin finite element method (SADG-FE) is developped for the determination of the dispersion properties of guided waves in arbitrary cross-section waveguides. The method is applicable to plates and cylindrical structures made of isotropic, anisotropic heterogeneous (functionally graded) materials. The performance analysis of these methods and their comparisons are performed with respect to the models based on the classical finite element method. The results demonstrated the ability of the proposed method to model the propagation of ultrasounic guided waves in arbitrary section waveguides with promising performance over the conventional finite element method

L'interaction des ondes guidées axisymétriques de type Lamb avec un dépôt de résine époxydique, placé à la surface d'un tube en acier inoxydable a été étudiée tant d'un point de vue expérimental que d'un point de vue théorique. Les résultats de cette étude permettent de localiser le dépôt et d'évaluer sa largeur. L'étude expérimentale est effectuée sous deux configurations distinctes, monostatique et bistatique. Le montage bistatique met en oeuvre un transducteur flexible en peigne, mis au point au laboratoire. Les résultats expérimentaux montrent d'une part que la détection peut se faire par réflexion de l'onde de Lamb S0 en basse fréquence (méthode monostatique). D'autre part, l'évaluation de la largeur du dépôt peut se faire par transmission (méthode bistatique) à partir de l'étude de l'atténuation des ondes de Lamb, notamment de l'onde S1 à une fréquence caractéristique pour laquelle la vitesse de phase est égale à celle de l'onde longitudinale de l'acier. Ces deux ondes peuvent être également utilisées en présence d'un fluide interne. Un modèle numérique, basé sur une Méthode par Eléments Finis (MEF), est ensuite mis en oeuvre afin de justifier les résultats précédents et de mieux comprendre l'origine de cette atténuation. Nous avons montré également à l'aide de résultats expérimentaux que l'évaluation peut se faire par réflexion de l'onde de Lamb S0, en basse fréquence. Cette observation est importante puisqu'à partir d'un seul point de mesure, nous pouvons effectuer à la fois la détection et l'évaluation de la largeur du dépôt
The interaction of the axisymmetric guided waves with an epoxy resin deposit, placed at the surface of a stainless steel tube is studied experimentally and theoretically. The results of this study enable us to locate the deposit and to evaluate its width. The experimental study is carried out from two different configurations, monostatic and bistatic. The bistatic setup implements a flexible comb transducer. The experimental results show on the one hand that the detection can be realized by reflection of the S0 Lamb wave at low frequencies (monostatic method). On the other hand, the evaluation of the deposit width can be achieved by transmission (bistatic method) from the study of the Lamb waves attenuation, in particular the S1 wave at a characteristic frequency for which the phase velocity is equal to the speed of the bulk longitudinal wave. These two waves can be also used in the presence of an internal fluid. A numerical model based on a Finite Element Method (FEM) is then implemented in order to justify the previous results and to understand the origin of this attenuation. We have also shown from the experimental results that the evaluation can be realized by the reflection of the S0 Lamb wave at low frequencies. This observation is important since, from one point of measurement, we can carry out at the same time the detection and the evaluation of the deposit width

Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à la modélisation et la simulation de la propagation d'ondes ultrasonores dans l'os cortical. Plus précisément, nous avons étudié et analysé la technique dite des ultrasons quantitatifs (Quantitative Ultrasound, QUS) pour l'évaluation de la qualité du tissu osseux. Il s'agit d'une technique émergente dont l'application aux tissus osseux suscite un intérêt particulier dans la communauté scientifique. Le tissu osseux étant un tissu vivant, il est sujet au vieillissement et à divers pathologies parmi lesquelles on peut citer ostéoporose, ostéomalacie, ostéoporomalacie, ou encore, la maladie dite de Paget. Pour accompagner les soins à prodiguer au tissu osseux, une surveillance de sa qualité s'avère indispensable. Dans ce contexte, les méthodes ultrasonores sont réputées être intéressantes, de par leurs caractères non-invasif, peu coûteux, portable et non-ionisant. Cependant, utiliser des ultrasons dans le cadre de la caractérisation du tissu osseux, suppose une compréhension profonde des différents phénomènes physiques mis en jeu lors de leur propagation. Dans cette optique, notre travail est développé dans la thématique de la modélisation dédiée à la propagation des ondes ultrasonores dans des guides d'ondes multidimensionnels, hétérogènes, anisotropes, et composés de matériaux dont l'hétérogénéité peut être qualifiée d'aléatoire. Une des originalités de cette thèse concerne l'étude des coefficients de réflexion et de transmission et des courbes de dispersion en présence d'incertitudes dues aux propriétés matérielles. Dans une première partie, nous étudions les phénomènes de réflexion/transmission via un modèle tri-couches bidimensionnels prenant en compte les tissus mous et l'hétérogénéité aléatoire du tissu osseux. Nous avons pu analyser l'impact de ces caractéristiques sur les coefficients de réflexion et de transmission. Un gradient de propriétés matérielles de l'os est introduit, et son impact sur les coefficients d'intérêt est examiné. L'aspect modal des ondes est exploré, en étudiant la dispersion des ondes de Lamb. Les résultats obtenus dans une configuration géométrique bidimensionnelle ont permis de discuter l'influence des divers paramètres, en terme de propriétés mécaniques et/ou géométriques, sur la propagation des ondes ultrasonores dans le tissu cortical. Dans une deuxième partie, le modèle est étendu pour une configuration géométrique cylindrique. La discussion est menée afin d'analyser l'influence de la géométrie tridimensionnelle de l'os sur les phénomènes de propagation
In this thesis, we are interested in the modeling and simulation of the propagation of ultrasonic waves in the cortical bone. Precisely, we have studied and analyzed the Quantitative Ultrasound (QUS) technique for the evaluation of the quality of bone tissue. It is an emerging technique those the application to bone tissue arouses particular interest in the scientific community. Since bone tissue is a living tissue, it is subject to aging and various pathologies, such osteoporosis, osteomalacia, osteoporomalacia, or the so-called Paget disease. To assist in therapeutic follow-up of the bone, monitoring of quality of bone tissue is essential. In this context, methods based on QUS technique are deemed to be interesting, due of their non-invasive, inexpensive, portable and non-ionizing characteristics. However, use the ultrasound in the context of characterization of bone tissue, requires a deep understanding of the different physical phenomena involved in their propagation. In this perspective, our work is developed in the modeling theme dedicated to the propagation of ultrasonic waves in multidimensional, heterogeneous, anisotropic waveguides, constituted of materials whose heterogeneity can be qualified as random. One of the originalities of this thesis concerns the study of the reflection and transmission coefficients and the dispersion curves in the presence of uncertainties in the material properties. In a first part, we study the reflection/transmission phenomena via a two-dimensional tri-layer model taking into account the soft tissues and the random heterogeneity of the bone tissue. We analyzed the impact of these characteristics on the reflection and transmission coefficients. A gradient of material properties is introduced, and its effect on the coefficients of interest is examined. The modal aspect of the waves is explored, by studying the dispersion of Lamb waves. The results obtained in a two-dimensional geometrical configuration made it possible to discuss the influence of the various parameters, in terms of mechanical and/or geometric properties, on the propagation of the ultrasonic waves in the cortical tissue. In a second part, the proposed model is extended for a cylindrical geometric configuration. The discussion is carried out in order to analyze the influence of the three-dimensional geometry of the bone on the phenomena of propagation

Les réseaux de micro-transducteurs connaissent un fort développement afin de répondre aux exigences du contrôle santé intégré des structures. Ce dernier permet d'évaluer en tout moment l'état de santé de la structure tout en intégrant un système de contrôle non destructif à celle-ci. En effet, un réseau de micro-transducteurs permet d'acquérir plusieurs signaux en même temps sans effectuer un balayage spatial permettant de caractériser la structure. Parallèlement, l'utilisation des ondes guidées ultrasonores fournit un outil efficace pour la caractérisation de celle-ci. Cependant, elles présentent des caractéristiques complexes qui rend l'analyse de leurs interactions avec des défauts compliquée. Pour cela, il est souhaitable de favoriser la propagation d'un mode unique dans la structure. Dans ce contexte, le but de cette thèse est de présenter un modèle de matrice de micro-transducteurs pour la réception des ondes guidées dans une structure cylindrique, en particulier, le mode de flexion F(1,1). Dans un premier temps, la réalisation et la caractérisation des matrices de micro-transducteurs sont présentées. Les résultats ont montré la capacité de celles-ci à opérer dans la gamme fréquentielle (60 kHz - 70 kHz) malgré sa haute fréquence de résonance. Dans un deuxième temps, les mesures optiques et électriques effectuées sur la matrice ont validé l'utilisation de celle-ci pour des applications dans le CSI et le CND des structures cylindriques tout en favorisant la propagation du mode F(1,1)
Micro-transducers networks are experiencing strong development in order to meet the require- ments of Structural Health Monitoring (SHM). The latter makes it possible to assess at any time the state of health of the structure while integrating a Non-Destructive Evaluation (NDE) system therein. Indeed, a network of micro-transducers makes it possible to acquire several signals at the same time without carrying out a mechanical scanning making it possible to characterise the structure. At the same time, the use of ultrasonic guided waves provides an e_ective tool for the characterisation of structures. However, they have complex characteristics which make the analysis of their interactions with defects complicated. For this, it is desirable to promote the propagation of a single-mode in the structure. In this context, this thesis aims to present a model of a micro- transducers matrix for the reception of guided waves in a cylindrical structure, in particular, the _exural mode F(1,1). First, the realisation and characterisation of the micro-transducer matrices are presented. The results showed their ability to operate in the frequency range (60 kHz - 70 kHz) despite its high resonant frequency. Second, the optical and electrical measurements carried out on the matrix validated its use for applications in the SHM and the NDE of cylindrical structures while generating the F(1,1) mode

Cette thèse a pour objectif d’instrumenter un contenant familier dans le domaine du biomédical et de la chimie (un tube à essai) avec des éléments piézoélectriques à ondes longitudinales (L) et d’implémenter, en les optimisant, diverses méthodes ultrasonores pour mesurer les viscosités rapidement, sans changer de banc de mesure et cela de quelques Hz à plusieurs dizaines de mégahertz au voisinage de la température ambiante. Grâce au système mis en place il est possible en quelques minutes de déterminer le comportement rhéologique du liquide, étudié en mesurant sa viscosité de cisaillement. Par ailleurs, la gamme de viscosité atteinte est extrêmement large puisque les mesures sont possibles de quelques dizaines de mPa.s à plusieurs centaines de Pa.s. Enfin, au-delà de résultats quantitatifs en terme de viscosité, le banc de mesure peut être aussi utilisé pour suivre de façon qualitative des cinétiques de réaction (polymérisation par exemple)
The main goal of this thesis is to set specific piezoelectric elements emitting longitudinal waves (L) on a well-known container in the field of biomedical and chemistry (a test tube) and to implement with some optimizations various ultrasonic methods to measure viscosities quickly, without changing the measurement bench. The measurement has to be done from a few Hz to several tens of megahertz around room temperature. Up to now it is possible to determine in a few minutes the rheological behavior of the liquid studied thanks to the evaluation of its shear viscosity. Furthermore, the viscosity range reached is extremely wide: the measurements are possible from a few tens of mPa.s to several hundred Pa.s. Finally, beyond quantitative results in terms of viscosity, the measurement bench can also be used to qualitatively monitor reactions (polymerization for example)

La méthode de référence actuelle mesurant la qualité osseuse est une mesure par rayons X de la masse osseuse. Elle ne fournit toutefois pas d’information directe sur les paramètres géométriques et mécaniques, déterminants de la résistance osseuse. Les méthodes ultrasonores sont elles sensibles à ces deux paramètres de part la nature des ondes élastiques mesurées. Dans ce travail, nous avons adopté une approche multi émetteurs / multi récepteurs en configuration de transmission axiale. Cette méthode a l’avantage d'utiliser un réseau linéaire compact dédié aux mesures cliniques. Un traitement du signal basé sur la décomposition en valeurs singulières de la matrice de réponse permet de mesurer dans le plan (fréquence, nombre d’onde) les trajectoires des ondes guidées se propageant dans la coque corticale des os longs. En utilisant le système de mesure clinique, une procédure d’inversion a été mise en œuvre et validée sur des fantômes de différentes géométries (plaque, tube), de différentes épaisseurs et de différents matériaux (isotrope, anisotrope). La procédure d’inversion permet de déterminer de manière combinée l’épaisseur et les propriétés élastiques par comparaison avec un modèle de plaque libre. Les outils développés pour les fantômes ont ensuite été utilisés pour la caractérisation de radius humains ex vivo. Les épaisseurs estimées sur les échantillons humains sont en accord avec des mesures de référence par tomographie rayons X. Pour la caractérisation osseuse, ce travail met en évidence les possibilités offertes par une approche multiparamétrique basée sur l’analyse des ondes guidées
The current reference method measuring the bone quality is a measure of the bone mass using X-rays. It does, however, provide no direct information on the geometrical parameters and mechanical determinants of bone strength. The ultrasonic methods are sensitive to these two parameters because of the nature of elastic waves measured. In this work, we adopted a multi transmitters / multi receivers configuration in axial transmission. This method has the advantage of using a compact linear array dedicated to clinical measurement. A signal processing based on the singular value decomposition of the response matrix allows to measure trajectories of guided waves propagating in the cortical shell of long bones in the plane (frequency, wavenumber). Using the clinical device, an inverse procedure has been implemented and validated on phantoms of different geometries (plate, tube), different thicknesses and different materials (isotropic, anisotropic). The inversion procedure is used to determine thickness and elastic properties at the same time by comparison with a free plate model. The tools developed for the phantoms were then used for the characterization of ex vivo human radius. Thicknesses estimated on human samples are in agreement with X-rays tomography measurements. This work highlights the opportunities offered by a multiparametric approach based on the analysis of guided waves for characterizing bone

Cette thèse s'articule autour de la question suivante : comment la complexité d‟un milieu peut elle être exploitée pour contrôler la propagation d‟ondes ultrasonores ? Dans une première partie, les performances d‟une nouvelle technique de focalisation (focalisation par contrôle de front d‟ondes) sont comparées expérimentalement et théoriquement à celles de la focalisation par retournement temporel dans des milieux multidiffuseurs. Il est alors mis en évidence qu‟à condition d‟optimiser à la fois la phase et l‟amplitude de l‟onde nous pouvons réaliser parfaitement un filtre adapté avec une simple mesure de l‟énergie au point focal. Dans une seconde partie, le régime de localisation transverse est exploité pour guider une onde tout en limitant sa dispersion temporelle. Le long d‟une collection de diffuseurs cylindriques distribués aléatoirement dans le plan transverse, un faisceau ultrasonore est confiné sur un diamètre inférieur au diamètre de l‟échantillon. La dernière partie est consacrée à la conception et à l‟étude de la propagation ultrasonore dans des milieux contrôlés constitués de bulles d‟air. Il est montré que les propriétés de ces milieux empruntent à la fois aux métamatériaux et aux cristaux phononiques. Ces nouveaux matériaux sont conçus de manière à obtenir des bandes interdites qui exploitent à la fois les résonances des bulles (" gap d‟hybridation ") et leur répartition périodique (" gap de Bragg "). Au-delà de leurs applications possibles au filtrage acoustique, ces résultats sont intéressants pour clarifier les rôles respectifs de l‟hybridation des résonances et des effets de réseau dans les propriétés des matériaux contenant des diffuseurs résonants.

Ce travail de thèse porte sur l'analyse et le traitement des signaux ultrasonores pour la caractérisation de l'os cortical. La première partie est dédiée à l'analyse des signaux acquis par un prototype de sonde de transmission axiale à 1 MHz. Nous montrons qu'une contribution arrivant après le premier signal présente un intérêt pour la caractérisation ultrasonore de l'os cortical. En effet, cette contribution évaluée sur des radius humains in vitro est associée à une onde de flexion propagée dans l'os qui est dépendante de l'épaisseur corticale. L'analyse de cette contribution a nécessité le développement d'une technique de séparation d'ondes. Cette contribution étant plus basse fréquence que le premier signal et associée à un mode de propagation différent, nous montrons ainsi qu'une analyse plus poussée du signal peut permettre une approche multi-modes/multi-fréquences. Dans une seconde partie, nous montrons l'intérêt de l'évaluation de l'atténuation ultrasonore pour la caractérisation de l'os cortical. Lors d'une étude expérimentale in vitro sur des échantillons corticaux bovins, nous montrons la dépendance d'un paramètre d'atténuation aux propriétés osseuses et à la micro-structure. De plus, ce paramètre semble plus sensible aux propriétés osseuses que ne l'est la vitesse de l'onde longitudinale. Ainsi, l'atténuation évaluée en complément de la vitesse pourrait permettre de caractériser de manière plus complète l'os cortical

Cette thèse porte sur la méthode Half-Space Matching (HSM) pour la résolution de problèmes de diffraction dans une plaque élastique non-bornée, en vue de la simulation du contrôle non-destructif de plaques composites. La méthode HSM est une approche hybride qui couple un calcul éléments finis dans une boite contenant les défauts, avec des représentations semi-analytiques dans quatre demi-plaques qui recouvrent la partie saine de la plaque. Les représentations semi-analytiques de demi-plaques font intervenir des tenseurs de Green, exprimés à l'aide d'intégrales de Fourier et de séries modales. Or ces expressions peuvent être délicates à évaluer en pratique (coût et précision), rendant la méthode HSM inexploitable industriellement. Les difficultés sont d'abord analysées dans un cas scalaire bidimensionnel (acoustique). Deux méthodes sont proposées pour une évaluation efficace des intégrales de Fourier : la première exploite une approximation de type champ lointain et la seconde repose sur une déformation du chemin d'intégration dans le plan complexe (méthode de la complexification). Ces deux méthodes sont validées dans les cas scalaires isotrope et anisotrope où l'on dispose des valeurs exactes des intégrales de Fourier exprimées à l'aide de fonctions de Hankel. Elles sont ensuite généralisées au cas tridimensionnel de la plaque élastique. Dans ce cas, la formule de représentation est obtenue en faisant une transformée de Fourier suivant une direction parallèle à la plaque, puis, pour chaque valeur de la variable de Fourier ξ, une décomposition modale dans l'épaisseur. Les modes mis en jeu, appelés ξ-modes, sont étudiés en détail et comparés aux modes classiques (Lamb et SH dans le cas isotrope). Afin d'exploiter la bi-orthogonalité des ξ-modes, la formule de demi-plaque requiert la connaissance à la fois du déplacement et de la contrainte normale sur la frontière. Dans le cas isotrope, les propriétés d'analyticité des ξ-modes permettent de justifier et d'étendre la méthode de la complexification, y compris en présence de modes inverses. Ceci réduit les effets de couplage modal parasite induits par la discrétisation des intégrales de Fourier. La méthode de la complexification est ensuite utilisée pour le calcul des opérateurs intervenant dans la méthode HSM, qui dérivent tous de la formule de demiplaque. Différentes validations de la méthode HSM sont ainsi effectuées dans le cas isotrope. Des résultats préliminaires encourageants sont également obtenus pour une plaque orthotrope. Les améliorations réalisées ont permis à la fois de réduire significativement le temps de calcul et d'assurer une plus grande précision de la méthode HSM, permettant d'envisager son exploitation systématique dans un cadre de simulation industrielle
This thesis focuses on the Half-Space Matching (HSM) method for solving scattering problems in an unbounded elastic plate to simulate non-destructive testing of composite plates. The HSM method is a hybrid approach that couples a finite element calculation in a box containing the defects with semi-analytical representations in four half-plates covering the plate's healthy part. Semi-analytical half-plate representations involve Green tensors, expressed with Fourier integrals and modal series. However, these expressions can be challenging to evaluate in practice (cost and accuracy), making the HSM method unusable industrially. The difficulties are first analyzed in a two-dimensional scalar (acoustic) case. Two methods are proposed for an efficient evaluation of Fourier integrals : the first one uses a far-field type approximation, and the second one is based on a deformation of the integration path in the complex plane (complexification method). These two methods are validated in the isotropic and anisotropic scalar cases, where we have the exact values of the Fourier integrals expressed using Hankel functions. They are then generalized to the three-dimensional case of the elastic plate. In this case, the representation formula is obtained by performing a Fourier transform in a direction parallel to the plate, and then, for each value of the Fourier variable ξ, a modal decomposition in the thickness. The modes involved called ξ-modes, are studied in detail and compared to classical modes (Lamb and SH in the isotropic case). In order to exploit the bi-orthogonality of the ξ modes, the half-plate formula requires the knowledge of both the displacement and the normal stress on the boundary. In the isotropic case, the analytic properties of the ξ-modes make it possible to justify and extend the complexification method, including in the presence of inverse modes. This reduces the spurious effects of modal coupling induced by the discretization of Fourier integrals. The complexification method is then used to calculate the operators involved in the HSM method, which derive from the half-plate formula. Different validations of the HSM method are thus carried out in the isotropic case. Encouraging preliminary results are also obtained for an orthotropic plate. The improvements significantly reduce the calculation time and ensure higher accuracy of the HSM method, making it possible to consider its systematic exploitation in an industrial simulation framework

En eaux peu profondes, les fluctuations de la surface de l'eau dégradent fortement les performances des antennes acoustiques sous marines. L'objectif de cette thèse est la détection, localisation et estimation, par tomographie acoustique océanique, d'une vague se propageant à la surface d'un guide d'onde fluide ultrasonore.Ces travaux se placent dans un cadre expérimental à petite échelle. Un couple d'antennes émettrice et réceptrice disposées de part et d'autre du guide d'onde crée un champ de pression acoustique de fréquence centrale f=1 MHz qui est projeté sur la base des faisceaux propres par une double formation de voies effectuée simultanément à l'émission et à la réception.Chacun de ces faisceaux propres est caractérisé par quatres observables : le temps de propagation, l'amplitude du signal transmis et les angles d'émission et de réception. La méthode des Noyaux de Sensibilité (NS) permet de relier ces observables acoustiques au déplacement local de la surface.L'inversion Bayesienne des NS permet un suivi précis de la propagation et la décroissance d'une vague causée par une excitation ponctuelle de la surface du guide d'onde. Différentes énergies d'excitation sont utilisées, causant des vagues gravito-capillaires de hauteur allant de 0.01 mm à 1 mm. Des mesures optiques valident l'estimation de la hauteur du déplacement d'eau
In shallow waters, the fluctuations of the water surface greatly affects the performances of underwater acoustic arrays. The goal of this thesis is to use tomography to detect, localise and estimate a travelling surface wave on the surface of an ultrasonic waveguide.The frame of this work is a small scale experiment. Two emitting and receiving arrays facing each other at each end of the waveguide create a acoustic pressure field of central frequency f=1 MHz which is projected on the basis of the eigenbeams using double beamforming performed simultaneously on the emission and on the reception. Each one of these eigenbeams is defined by four observables : the acoustic travel-time, the amplitude of the signal and the emitting and receiving angles. The Sensitivity Kernel (SK) approach allows to link the acoustic observables with the local displacement of the surface.The Bayesian inversion of the SK allows to accurately monitor and estimate the propagation and decay of a wave caused by a point excitation of the surface of the waveguide. Different energies of excitations are used, generating gravity-capillary waves of heights ranging from 0.01 mm to 1 mm. Optical measurements validate the estimation of the water displacement height

Ce travail de thèse porte sur l’analyse et le traitement des signaux ultrasonores pour la caractérisation de l’os cortical. La première partie est dédiée à l’analyse des signaux acquis par un prototype de sonde de transmission axiale à 1 MHz. Nous montrons qu’une contribution arrivant après le premier signal présente un intérêt pour la caractérisation ultrasonore de l’os cortical. En effet, cette contribution évaluée sur des radius humains in vitro est associée à une onde de flexion propagée dans l’os qui est dépendante de l’épaisseur corticale. L’analyse de cette contribution a nécessité le développement d’une technique de séparation d’ondes. Cette contribution étant plus basse fréquence que le premier signal et associée à un mode de propagation différent, nous montrons ainsi qu’une analyse plus poussée du signal peut permettre une approche multi-modes/multi-fréquences. Dans une seconde partie, nous montrons l’intérêt de l’évaluation de l’atténuation ultrasonore pour la caractérisation de l’os cortical. Lors d’une étude expérimentale in vitro sur des échantillons corticaux bovins, nous montrons la dépendance d’un paramètre d’atténuation aux propriétés osseuses et à la micro-structure. De plus, ce paramètre semble plus sensible aux propriétés osseuses que ne l’est la vitesse de l’onde longitudinale. Ainsi, l’atténuation évaluée en complément de la vitesse pourrait permettre de caractériser de manière plus complète l’os cortical
This work deals with the ultrasonic characterization of cortical bone. In a first part, the signals acquired with a 1-MHz axial transmission device are analyzed. A later contribution occuring after the first arriving signal is studied after the application of a wave separation procedure. This contribution is shown to be of interest for the ultrasonic characterization of cortical bone. Indeed, experiments performed in vitro on human radii show that this contribution is associated with a flexural wave guided which is dependent on the cortical thickness. In addition, this contribution has a lower frequency content than the first arriving signal and is associated with a different propagation mode. Therefore, a more thorough analysis of the ultrasonic signals enables a multi-modal/multi-frequency approach. In a second part, the ultrasonic attenuation is evaluated in an in vitro experimental study on bovine cortical bone samples. Ultrasonic attenuation is shown to be dependent on bone properties and micro-structure. Furthermore, this parameter seems to be more sensitive than the longitudinal wave velocity to bone parameters. Attenuation, in combination with ultrasonic wave velocity, is of interest and may provide a more comprehensive characterization of cortical bone

Les structures tubulaires sont largement utilisées dans diverses industries telles que l’aérospatiale, le pétrole et le gaz, le nucléaire, etc. Le Contrôle Non Destructive (CND) de ces structures joue un rôle crucial au cours de leur cycle de vie. Afin de tester de grandes structures avec une accessibilité limitée, la méthode de CND utilisant des ondes guidées a été développée comme une solution viable. En raison de la nature de ces ondes, elles sont capables de se propager sur de grandes distances sans perdre une grande partie de leur énergie. Cependant, elles sont complexes puisque leur vitesse dépend de la fréquence, c'est-à-dire qu'elles sont dispersives. Classiquement, l’étude de ce type d’ondes nécessite des simulations par éléments finis coûteuses. Cette thèse propose une alternative à de telles simulations avec une méthode rapide et robuste pour simuler la propagation d'ondes guidées dans des structures tubulaires.Partant de ces calculs, pour localiser des défauts, l'objectif de ce travail est d'obtenir des images topologiques 3D de structures tubulaires isotropes multicouches par propagation de ces ondes guidées ultrasonores. Un modèle mathématique est proposé où l'équation d'onde est convertie en une équation différentielle ordinaire par rapport au rayon «r» en utilisant les transformées de Fourier et de Laplace pour les variables spatiales et temporelles respectivement. La solution en ondes partielles, exprimée comme une combinaison des fonctions de Bessel, permet la création d'un algorithme semi-analytique rapide et robuste pour calculer la fonction de Green de structures tubulaires. Un modèle approché en présence de défauts numériques est ensuite développé. La réponse des défauts est considérée comme la réponse cumulative des sources secondaires, visant à annuler le champ de contraintes incident et diffracté présent en son sein. Ensuite, le modèle numérique est validé par des mesures expérimentales.Enfin, la technique de l'imagerie topologique est introduite. Cette méthode d'imagerie est basée sur la corrélation entre les champs ultrasonores sans et avec défaut. La polyvalence et la flexibilité de l'outil numérique en conjonction avec cette méthode d'imagerie sont ensuite démontrées avec succès en localisant et imageant une multitude de défauts numériques et expérimentaux avec des dimensions aussi faibles que 1/40e de la longueur d'onde
Tubular structures are widely used in a variety of industries such as Aerospace, Oil and Gas, Nuclear, etc. Non Destructive Evaluation (NDE) of these structures plays a crucial role during it’s life cycle. In order to test large structures with limited accessibility, guided wave testing was developed as a viable solution. Due to the nature of these waves, they are able to propagate over large distances without losing much of their energy. However, they are also complex in that their velocity is frequency dependent i.e. they are dispersive. Conventionally, guided wave testing require costly finite element simulations. This thesis offers an alternative to such simulations with a quick and robust method to simulate guided wave propagation in tubular structures.Based on these calculations, the aim of this work is to obtain the 3d topological image of multilayered isotropic tubular structures using ultrasonic guided waves to locate defects. A mathematical model has been proposed where the wave equation is converted to an ordinary differential equation with respect to radius 'r' using the Fourier and Laplace transforms for the spatial and temporal variables respectively. The partial wave solution, expressed as a combination of Bessel’s functions, allows for the creation of a fast robust semi-analytical algorithm to compute the Green function in tubular structures. A model to approximate numerical defects is then developed. The defect response is considered as the cumulative response of secondary sources, aiming to negate the incident and diffracted stress field present within it. Next, the numerical model is validated with experimental measurements.Finally, the technique of Topological Imaging is introduced. This method of imaging is based on the idea of performing a correlation between two wave fields for defect localization. The versatility and flexibility of the numerical tool in conjunction with the method of imaging is then successfully demonstrated by localising and imaging a multitude of numerical and experimental defects with dimensions as low as 1=40th of the wavelength

La détection, la localisation et le suivi de l’évolution de défauts dans les milieux périodiques et les guides d’ondes est un enjeu majeur dans le domaine du Contrôle Non Destructif (CND). La propagation d’ondes dans ce genre de milieux est complexe, par exemple lorsque la vitesse dépend de la fréquence (dispersion) ou de la direction de propagation (anisotropie). La signature du défaut peut également être « noyée » dans le champ acoustique renvoyé par la structure (réverbération ou diffusion multiple). C’est pour répondre à ces enjeux de taille que l’Optimisation Topologique (OT) a été adaptée aux problèmes de diffraction des ondes acoustiques par des défauts infinitésimaux afin d’obtenir des images de réflectivité des milieux inspectés. La méthode peut être appliquée à toutes sortes de milieux, quelle que soit leur complexité, à condition d’être capable de simuler correctement (sur un milieu de référence) la propagation des ondes de l’expérience physique. En s’inspirant de l’OT, les travaux de cette thèse proposent de mettre en oeuvre des méthodes d’imagerie qualitatives adaptées aux spécificités des Cristaux Phononiques (CP) et des guides d’ondes. Dans un premier temps, nous nous attachons à la description du formalisme mathématique de l’Optimisation Topologique et de la Full Waveform Inversion (FWI). Bien que ces méthodes ne cherchent pas à résoudre les mêmes problèmes inverses, nous mettons en évidence leurs points communs. Dans un deuxième temps, nous appliquons l’Imagerie Topologique (IT) à l’inspection en réflexion des milieux faiblement hétérogènes. Dans un troisième temps, nous nous inspirons de l’IT pour définir une nouvelle variante de celle-ci nommée Imagerie Topologique Hybride (ITH). Nous appliquons ces méthodes pour l’inspection en réflexion des CP crées par des tiges d’acier immergées dans l’eau. Nous comparons les performances de ces méthodes en fonction du type de défaut dans le CP. Les simulations numériques correspondantes à certains cas d’étude sont appuyées par des essais expérimentaux concluants. Dans un quatrième temps, nous adaptons l’IT à une configuration d’inspection en transmission afin de mette en oeuvre une méthode de Structural Health Monitoring (SHM) des guides d’ondes. A ce propos, nous avons mis au point une nouvelle méthode d’imagerie mieux adaptée que l’IT aux configurations d’inspection en transmission
The detection, localization and monitoring of the evolution of defects in periodic media and waveguides is a major issue in the field of Non-Destructive Testing (NDT). Wave propagation in such media is complex, for example when the velocity depends on the frequency (dispersion) or direction of propagation (anisotropy). The signature of the defect can also be "embedded" in the acoustic field reflected by the structure (reverberation or multiple diffusion). It is to answer these stakes of the size that the Topological Optimization (TO) has been adapted to the problems of diffraction of the acoustic waves by infinitesimal defects in order to obtain reflectivity images of the inspected media. The method can be applied to all kinds of media, regardless of their complexity, provided an exact simulation of the wave propagation in a reference medium (without defects) is performed. Inspired by the TO, the work of this thesis proposes to implement qualitative imaging methods adapted to the specificities of Phononic Crystals (PC) and waveguides. First, we focus on the description of the mathematical formalism of Topological Optimization and Full-Waveform Inversion (FWI). Although these methods do not try to solve the same inverse problems, we highlight their similarities. In a second step, we apply Topological Imaging (TI) to the inspection in pulse-echo configuration of weakly heterogeneous media. Thirdly, we draw inspiration from TI to define a new variant of this method called Hybrid Topological Imaging (HTI).We apply these methods for the pulse-echo configuration inspection of PCs created by steel rods immersed in water.We compare the performance of these methods according to the kind of defects in the PC. Numerical simulations for some case studies are supported by conclusive experimental trials. In a fourth step, we adapt the TI to a pitch-catch configuration in order to implement a new method of Structural Health Monitoring (SHM) of waveguides. In this regard, we have developed a new imaging method that is better suited than TI to pitch-catch configurations

Controle non destructif par ultrasons. Etude theorique de l'acoustoelastricite en milieu homogene. Acoustique lineaire. Propagation d'un faisceau borne dans un guide cylindrique. Extension de l'acoustique de fourier-bessel en milieu cylindrique

Cette thèse traite de la résolution du problème direct de propagation d'un champ élastodynamique rayonné par une source dans un milieu stratifié anisotrope. Le contexte applicatif visé est le contrôle non destructif par ondes ultrasonores guidées de plaques de matériaux composites. Aux basses fréquences, ces matériaux sont assimilables à des milieux homogènes, anisotropes et dissipatifs. Deux approches causales sont étudiées et mises en oeuvre pour résoudre l'équation d'onde, et leur intérêt vis-à-vis de la méthode modale harmonique - la plus couramment employée dans ce domaine applicatif - est discuté. L'une des méthodes est modale et est formulée directement dans le domaine temporel. Elle permet de traiter facilement l'anisotropie, y compris en 3D, mais souffre des écueils classiques concernant le régime non-établi ou le cas du guide ouvert. L'autre approche est une formulation dans le domaine de Laplace de la méthode dite par ondes partielles. Elle présente l'intérêt d'être extrêmement polyvalente tout en conduisant à des coûts numériques tout à fait raisonnables. Dans un second temps, la possibilité d'exploiter ces deux méthodes pour résoudre des problèmes de diffraction par des défauts est étudiée. Une approche par éléments finis de frontière basée sur la méthode par ondes partielles est considérée. Elle permet de traiter efficacement le cas de défauts plans. L'extension à des défauts plus généraux est brièvement discutée
This work adresses the direct problem of the propagation of an elastodynamic field radiated by a source in an anisotropic layered medium. Applications concern non destructive evaluation of composite plates by ultrasonic guided waves. In the lower frequencies, these materials can be modeled as homogeneous, anisotropic and dissipative media. Two causal approaches are studied and developped to solve the wave equation, and their interest is discussed regarding to the widely used harmonic modal method. One of these methods is modal, and is formulated directly in the time domain. It allows to deal easily with anisotropy, even in 3D ; however it also suffers classical shortcomings such as the high cost of the unestablished regime or the difficulty to deal with open waveguides. The other method is a formulation of the so-called partial-waves method in the Laplace domain. Its attractiveness relies in its versatility and in the fact that computational costs can be very acceptable. In a second time, we consider using both methods to solve problems of diffraction by defects. A boundary element method based on the partial-waves approach is developped and leads to solve very efficiently the case of a planar defect. The possibility of treating more general defects is briefly discussed

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une méthode ultrasonore de prédiction du risque de fracture de la hanche. Nous pensons que l'estimation de l'épaisseur et des propriétés élastiques de la coque corticale améliorerait la prédiction de ce risque. L'exploitation des ondes guidées par la coque pourrait permettre d'obtenir ces estimées. Dans le cadre du contrôle non destructif, une méthode basée sur la décomposition de l'opérateur de retournement temporel (DORT) a permis de caractériser des tubes métalliques de section circulaire vides. L'objectif de la thèse est d'adapter cette méthode aux spécificités du col fémoral. Différents fantômes ont été construits afin de découpler les problèmes posés par les propriétés particulières de l'os. Un fantôme d'os vide de section circulaire a tout d'abord été utilisé pour optimiser les conditions expérimentales afin d'observer les ondes guidées circonférentielles en dépit des propriétés matérielles défavorables de l'os. Ensuite, l'étude en simulation de fantômes d'os de section circulaire remplis de fluide imitant la moelle osseuse a conduit à proposer une méthode de filtrage permettant de s'affranchir des réflexions parasites sur les parois de la cavité. Enfin, l'analyse du rayonnement des ondes guidées a permis de généraliser la méthode initiale à des coques de section quelconque, en particulier à une coque elliptique. A l'issue de cette thèse, on dispose d'outils permettant de caractériser des guides d'ondes de section quelconque, d'épaisseur constante dont la cavité peut être vide ou remplie d'un fluide. Cela représente un premier pas vers la caractérisation ultrasonore du col du fémur.

Le but de ce travail est de fournir des résultas expérimentaux et numériques sur le comportement d'une onde de Lamb dans des guides d'onde élastiques en duraluminium comportant une zone de section linéairement variable, localisés entre deux secteurs d'épaisseurs constantes de 2 mm et 5 mm. Ces guides d'onde ne sont différents que par la pente de leur zone de section variable. Plusieurs phénomènes ont été observés : l'adiabaticité des modes de Lamb dans la zone de section variable, leur réflexion à leur épaisseur de coupure et leur transmission en dehors de cette zone par effet tunnel en d'autres modes de Lamb (conversion de modes). Les résultats expérimentalement et numériquement obtenus montrent l'existence d'ondes adiabatiques dans tous les guides étudiés. En particulier, l'amplitude des déplacements normaux de l'onde adiabatique S0 sur la surface plane varie en fonction de l'épaisseur de la zone de section variable et montre un nombre de résonances localisées dans cette zone. Le nombre et la position des résonances varient en fonction de la pente du guide et de la zone dispersive. Dans le cas où le mode se propage vers les épaisseurs décroissantes dans un guide d'onde de forte pente, une transmission de l'onde incidente a été observée à la sortie de la zone de section variable en d'autres modes. Lorsque les modes de Lamb d'ordres supérieurs, et donc possédant un produit fréquence-épaisseur de coupure, se propagent vers les épaisseurs décroissantes, une réflexion de ces modes à leur épaisseur de coupure est observée, et ce avant d'atteindre la fin de la zone de section variable. Une faible part de leur énergie est transmise par effet tunnel en dehors de la zone de section variable en modes de Lamb différents. L'énergie des modes transmis a été mesurée et représente 2% au maximum, selon la pente du guide, de celle du mode incident. Par ailleurs, la zone de section variable montre un phénomène de filtrage fréquentiel pour les modes de Lamb ayant des produits fréquence-épaisseur de coupure. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les résultats numériques. Grâce à l'étude numérique nous avons pu établir un modèle prédictif fiable et expliquer les phénomènes physiques observés
The aim of this work is to provide the experimental and numerical results on the behaviour of a Lamb wave in duraluminium elastic waveguides. These waveguides include an area of linearly varying section, located between two areas of constant thickness of 2 mm and 5 mm. These waveguides are only differing by the slope of their varying section domain. Several phenomena were observed : the adiabaticity of the Lamb modes in the area of varying section, the reflexion of an incident Lamb mode when it reaches its thickness cut-off in the varying section area and its transmission outside this zone by tunnel effect. The experimental and numerical results obtained show the existence of adiabatic waves in all the studied guides. In particular, the amplitude of normal displacements of the adiabatic S0 mode on the plane surface varies according to the thickness and shows a number of resonances located in this zone. The number and the positions of resonances are strongly depending of the varying section slope. If the same mode is propagated towards the decreasing thicknesses in a waveguide of strong slope, a transmission of this incident wave is observed at the end of the varying section domain into other modes. When the Lamb modes having cut-off are propagated towards the decreasing thicknesses, a reflexion at their thickness cut-off is observed. Nevertheless, a small part of their energy is transmitted by tunnel effect into other Lamb modes in the thinner part of the waveguide. The energy of the transmitted modes have been measured and represents a maximum of 2% of the energy of the incident mode. In addition, the varying section area shows a phenomenon of frequency filtering for the Lamb modes having cut-off. The experimental results are in good agreement with the numerical results. The numerical study allowed the obtention of a reliable predictive model and helped to highlight the physical meaning of the observed phenomenon

La fibrillation atriale affecte 2-3% des européens et nord-américains, les tachycardies ventriculaires sont liées à un risque important de mort subite. Les approches minimalement invasives comme l’Ablation par Cathéter Radiofréquence (RFCA) ont révolutionné le traitement de ces maladies, mais le taux de réussite de la RFCA est limité par le manque de techniques d’imagerie pour contrôler cette ablation thermique.Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles approches ultrasonores pour des traitements cardiaques minimalement invasifs guidés par échographie.Pour cela nous avons d’abord validé la précision et la viabilité clinique de l’Élastographie par Ondes de Cisaillement (SWE) en tant que modalité d’imagerie quantitative et temps réel pour l’ablation thermique in vivo. Ensuite nous avons implémenté la SWE sur un transducteur intracardiaque et validé la faisabilité d’évaluer l’ablation thermique in vitro et in vivo sur cœur battant de gros animal. Puis nous avons développé un transducteur intracardiaque dual-mode pour effectuer l’ablation et l’imagerie ultrasonores avec les mêmes éléments, sur le même dispositif. Les lésions thermiques induites par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) et contrôlées par la SWE ont été réalisées avec succès in vivo dans les oreillettes et les ventricules chez le gros animal. Finalement la SWE a été implémentée sur un dispositif d’imagerie et thérapie ultrasonores transœsophagien et la faisabilité de cette approche a été démontrée in vitro et in vivo. Ces approches originales pourraient conduire à de nouveaux dispositifs cliniques pour des traitements plus sûrs et contrôlés d’un large éventail d’arythmies et maladies cardiaques
Atrial fibrillation (AF) affects 2-3% of the European and North-American population, whereas ventricular tachyarrhythmia (VT) is related to an important risk of sudden death. AF and VT originate from dysfunctional electrical activity in cardiac tissues. Minimally-invasive approaches such as Radio-Frequency Catheter Ablation (RFCA) have revolutionized the treatment of these diseases; however the success rate of RFCA is currently limited by the lack of monitoring techniques to precisely control the extent of thermally ablated tissue.The aim of this thesis is to propose novel ultrasound-based approaches for minimally invasive cardiac ablation under guidance of ultrasound imaging. For this, first, we validated the accuracy and clinical viability of Shear-Wave Elastography (SWE) as a real-time quantitative imaging modality for thermal ablation monitoring in vivo. Second we implemented SWE on an intracardiac transducer and validated the feasibility of evaluating thermal ablation in vitro and in vivo on beating hearts of a large animal model. Third, a dual-mode intracardiac transducer was developed to perform both ultrasound therapy and imaging with the same elements, on the same device. SWE-controlled High-Intensity-Focused-Ultrasound thermal lesions were successfully performed in vivo in the atria and the ventricles of a large animal model. At last, SWE was implemented on a transesophageal ultrasound imaging and therapy device and the feasibility of transesophageal approach was demonstrated in vitro and in vivo. These novel approaches may lead to new clinical devices for a safer and controlled treatment of a wide variety of cardiac arrhythmias and diseases

This work includes three parts : The design of new sensors using ultrasonic propagation and allowing different motion measurements of the human ventilatory system. -The choice of suitable composite variables allowing the determination of pulmonary volumes with enough accurary by a pattern of breathing box. The automatisation of the clinic data processing, got in parallel from a direct spirometer, from perimetric and surfacic sensors and from new ultrasonic sensors. A method of efficient volume-motion coefficients is obtained from these data. The first part originality is linked to the choice of the resonant frequency of the ultrasonic wave resulting from a compromise between a some rather short wave length in order to keep a good resolution, which is long enough to properly cross the ventilatory system. We have also shown the propagation of a compression wave guided by skindeep tissus. This wave allows us to measure cords or fractions of thoracic or abdominal perimeters. The geometrie pattern explicits respective assignments of two partially independant compartments during breathing, and lets understanding of the influence of the ventilatory system geometrie changes of volume-motion coefficients. Finally, we show that ventilatory motions include not only transversal and sagittal dilatations of compartments, but also a lengthening of the whole ventilatory system which importance is stretched by the necessity of a third variable measured with the ultrasonic sensor. Ln conclusion, this work represents a technological contribution on new sensors and a methodologie one in the calibration field. Lt allows us to look forward at an extension of using non-invasive measurement of ventilation to monitor breathing during long periods. KEY WOBQS: Breathing functional tests, non-invasive measurement of ventilation, volume-motion coefficients, ventilatory system modelling, ultrasonic wave guided by interfaces, biologie tissue
Ce travail comprend trois parties: La conception de nouveaux capteurs utilisant la propagation des ultrasons et permettant la mesure statique et dynamique des différentes dimensions du système ventilatoire chez l'homme; le choix des variables composites pertinentes permettant de déterminer les volumes pulmonaires avec une précision suffisante grâce à une modélisation du caisson respiratoire; l'automatisation du traitement des données cliniques obtenues en parallèle à partir d'une spirométrie directe, de capteurs périmétriques, surfaciques et des nouveaux capteurs à ultrasons. Dans la première partie nous avons choisi la fréquence de résonance de l'onde ultrasonore en faisant un compromis entre une longueur d'onde assez courte pour garder une bonne résolution et assez longue pour satisfaire la profondeur de pénétration qui permet à l'onde de traverser le parenchyme pulmonaire. Nous avons montré également la propagation d'une onde de volume guidée par les tissus superficiels qui permet de mesurer des cordes ou fractions de périmètre thoracique ou abdominal. Le modèle géométrique précise les rôles respectifs des deux compartiments dans la respiration et permet de mieux comprendre l'influence des changements de géométrie du système ventilatoire sur les coefficients de calibration. Nous montrons enfin que les mouvements ventilatoires ne comportent pas seulement des dilatations transversales et sagittales des compartiments, mais également un allongement de l'ensemble du système ventilatoire; allongement dont l'importance est mis en évidence par la nécessité d'une troisième variable mesurée par le capteur à ultrasons. En conclusion ce travail représente un apport technologique sur de nouveaux capteurs et un apport méthodologique dans l'épreuve de calibration. Il permet d'envisager l'extension du domaine d'utilisation des Mesures Non Invasives de la Ventilation (MNIV) aux mesures au long cours