Génération d'ondes acoustiques de surface par différentes sources lasers : applications à la caractérisation sans contact de défauts

Surface acoustic wave generation using different laser sources - Application to the non-contact characterization of flaws

• Auteur / Autrice : Frédéric Faëse
• Direction : Mohammadi Ouaftouh, Frédéric Jenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 10/12/2013
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - Institut d'électronique- de microélectronique et de nanotechnologie / IEMN
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Xiaoping Jia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammadi Ouaftouh, Frédéric Jenot, Christ Glorieux, Emmanuel Le Clézio, Jean-Pierre Chambard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christ Glorieux, Emmanuel Le Clézio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Thermoélasticité

Ultrasons

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Ultrasons lasers

Éléments finis

Onde de Rayleigh

Caractérisation de défauts

Conversion de mode

Laser ultrasonics

Finite element method

Rayleigh wave

Flaws characterization

Mode conversion

Résumé

Diverses industries telles que l'aéronautique ou la sidérurgie s’intéressent de plus en plus aux ultrasons laser qui sont une technique de pointe utilisée pour le contrôle et l'évaluation non destructifs des matériaux. Cette méthode d’excitation et de détection des ondes ultrasonores présente comme principaux avantages d’être sans contact et adaptée à des échantillons pour lesquels la mise en œuvre de méthodes conventionnelles s'avère difficile notamment lorsqu’ils sont portés à haute température et/ou qu’ils sont de géométrie complexe.Durant cette thèse, nous nous sommes intéressés à la propagation des ondes acoustiques de surface générées par sources lasers et à l’interaction de ces ondes avec différents défauts. Les modèles analytiques de l’interaction onde-défaut étant limités à quelques cas particuliers, l’étude théorique a été menée en privilégiant une modélisation par éléments finisqui a permis d’accéder aux champs de déplacement des ondes engendrées. Les résultats expérimentaux ont d’abord permis de confirmer la pertinence des modèles analytiques et des modélisations par éléments finis. Ils ont ensuite consisté en l’étude de l’interaction onde-défaut pour différentes formes de défauts et différentes sources thermoélastiques.Les résultats de modélisation associés aux résultats expérimentaux ont en particulier mené à une méthode originale de caractérisation basée sur une conversion de mode permettant de déterminer à partir d’un seul A-scan à la fois la position et la profondeur du défaut. Des sources thermoélastiques non conventionnelles ont également été développées et leur potentiel d’applications pour le contrôle non destructif a été mis en évidence.

Industries like aeronautics or iron and steel industry are more and more interested in laser ultrasonics, which is a cutting-edge technique used in non-destructive testing and evaluation. The main advantages of this acoustic wave generation and detection method are its noncontact feature and its ability to characterize high temperature and/or geometrically complex materials for which conventional methods implementation turns out to be difficult.During this thesis, we dealt with the propagation of surface acoustic waves (SAW) generatedby laser sources and their interaction with different flaws. As analytical models describing theinteraction between SAW and flaws are limited to a few special cases, the theoretical study was preferentially led thanks to the finite element method (FEM) that gave the different waves displacement fields. Experimental results first confirmed analytical models and FEM results suitability. Then, they consisted in studying the interaction between SAW and flaws for different flaw shapes and different thermoelastic sources.FEM results combined with experimental results especially led to an original characterizationmethod based on mode conversion giving both the flaw position and depth thanks to a singleA-scan. Unusual thermoelastic sources have also been implemented and their potentialities in non destructive testing and evaluation applications have been highlighted.