Acoustique non-linéaire : application à la caractérisation ultrasonore de l'endommagement des matériaux hétérogènes et à la prédiction de la durée de vieNonlinear acoustics : application to ultrasonic characterisation of damage in heterogeneous materials and remaining life determination

• Auteur / Autrice : Mourad Bentahar
• Direction : Rachid El Guerjouma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Durée de vie (ingénierie)

Acoustique non linéaire

Composites polymères

Béton

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié les potentialités des méthodes d'évaluation non destructive (END) par ondes acoustiques non-linéaires en résonance pour la caractérisation et le suivi de l'endommagement des matériaux hétérogènes (bétons et composites base polymère). Pour cela, un dispositif expérimental permettant une réception avec et sans contact et pouvant s'adapter à différentes géométries a été développé. Pour les deux matériaux, les variations de la fréquence de résonance observées en fonction du niveau d'excitation (dynamique rapide) sont directement corrélées aux niveaux d'endommagement. Après une forte excitation (conditionnement) des éprouvettes endommagées, un décalage vers les plus basses fréquences est observé pour les deux matériaux. Ce décalage ne disparaît pas immédiatement après l'arrêt de la forte excitation, mais se résorbe en fonction du logarithme du temps, fortement lié au degré d'endommagement. A travers ce phénomène appelé '' dynamique lente '' nous avons pu définir de nouveaux indicateurs d'endommagement ayant une grande sensibilité aux premiers états de dégradation du matériau. Pour le béton, ces observations, traduisant le comportement hystérétique non-linéaire des matériaux endommagés, sont étayées qualitativement et quantitativement par un modèle unidirectionnel, basé sur l'approche d'interaction locale dans le cadre de la description phénoménologique de Preisach-Mayergoitz. Enfin, nous avons trouvé d'intéressantes corrélations entre les indicateurs non-linéaires d'endommagement (dynamiques rapide et lente) et l'énergie élastique libérée sous forme d'émission acoustique par le matériau lors du processus d'endommagement. Ce résultat liant pour la première fois le comportement acoustique hystérétique non-linéaire et l'émission acoustique ouvre d'intéressantes perspectives pour la caractérisation de l'état de santé des matériaux hétérogènes et l'évaluation de leur potentiel restant.

In this work, we have studied the potentials of nondestructive evaluation methods using resonant nonlinear acoustics phenomena to characterize and follow damage induced in heterogeneous materials (concrete and polymer composites). For this, we have conceived an experimental device adapted to different geometries, which allows contact and contactless reception. For both materials, changes of the resonance frequency with increasing excitation level “fast dynamics” were correlated to the damage level. As a response to the application a strong excitation, resonance frequency of damage samples shifts to low frequencies. This shift does not disappear instantaneously when the strong excitation is removed but changes as a logarithm of time. The duration of the frequency recovery is strongly dependent on the damage state. Through this phenomenon, called “slow dynamics”, we have defined new damage indicators very sensitive to primary damage states. For concrete, these observations, which manifest hysteretic nonlinear behavior of damaged materials, are supported qualitatively and quantitatively by a one-dimensional model based on the phenomenological description of Preisach-Mayergoitz. We have found interesting correlations between the different nonlinear damage indicators (slow and fast dynamics) and the elastic energy, freed by the material during the damage process, calculated through acoustic emission signals. This result, linking for the first time hysteretic nonlinear acoustics emission, offers a good opportunity and future prospects for structural health monitoring of heterogeneous materials and their remaining life determination.