Surveillance de l'état structurel des transducteurs ultrasonores piézoélectriques

Structural health monitoring of piezoelectric ultrasonic transducers

• Auteur / Autrice : Wenxiang Ding
• Direction : Marc Lethiecq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 18/11/2021
• Etablissement(s) : Bourges, INSA Centre Val de Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire GREMAN (Tours)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Lethiecq, Pierre Maréchal, Hamida Hallil, Maxime Bavencoffe, Sharon Lori Bridal, Frédéric Patat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Maréchal, Hamida Hallil

Mots clés

Mots clés libres

Admittance électromécanique

Contrôle de santé des structures

Délamination

Electromechanical admittance

Structural health monitoring

Delamination

Résumé

Les transducteurs à ultrasons ont été largement utilisés dans le diagnostic médical, la thérapie, l'évaluation non destructive, le nettoyage, le sonar et d'autres applications. Le bon fonctionnement du transducteur lui-même est un facteur clé de la fiabilité globale du système. Cependant, en raison d'une mauvaise utilisation par l’opérateur ou d'une dégradation des matériaux, des défauts peuvent survenir tels que des ruptures dans le câblage, des fissures dans les matériaux passifs, l’endommagement des matériaux actifs, une délamination entre les couches constitutives du dispositif ... Ce travail de thèse porte sur une analyse détaillée de l'influence de délaminations sur les performances du transducteur, visant à déterminer des procédures pour faciliter le suivi du comportement du transducteur pendant sa durée de vie et la détection des dégradations avant qu'elles n'affectent significativement les performances du système dans son ensemble.Dans le cadre de ce travail, un modèle analytique bidimensionnel original pour l’étude des vibrations couplées dans les résonateurs piézoélectriques est proposé. Des solutions générales pour toutes les grandeurs physiques dans les systèmes de coordonnées cartésiennes et cylindriques sont déduites des équations tensorielles de la piézoélectricité. Elles sont exprimées sous forme de séries de fonctions trigonométriques ou de Bessel. L'impédance électrique, la forme du mode et le spectre de fréquences des céramiques piézoélectriques sont calculés par la méthode analytique proposée ainsi que par la méthode des éléments finis. La comparaison des résultats de ces deux méthodes montre un excellent accord.Une étude systématique de l'influence de différents types de délaminations sur les performances des transducteurs ultrasonores monoéléments et multi-éléments est présentée. Des modèles par éléments finis sont développés pour montrer l'impact des différents types de délaminations ainsi que d'autres facteurs sur l'admittance électromécanique (EMA) de transducteurs composés soit d'un disque soit de parallélépipèdes de céramiques piézoélectriques, d'un milieu arrière et d'une lame adaptatrice. Des études expérimentales sont mises en place pour valider les modèles et des indicateurs quantitatifs sont proposés. Des éléments sont réalisés en impression 3D (milieu arrière, lame adaptatrice) et montés sur des échantillons de céramiques piézoélectriques pour obtenir un transducteur modèle intact et des transducteurs modèles avec délaminations. La comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux montre un bon accord et permet d’affirmer que des modifications de l'EMA peuvent révéler l'apparition et l'étendue d'une délamination entre les éléments constitutifs d’une sonde échographique.

Ultrasonic transducers have been widely used in medical diagnostic, therapy, non-destructive evaluation, cleaning, underwater sonar, and other applications. The proper functioning of the transducer itself is a key factor in the reliability of the entire system. However, due to the misuse of operators or material degradation, defects may occur, such as breakages in cables, cracks, damaged or weakened crystals, and delamination between layers. This contribution focuses on a detail analysis of the influence of bonding delamination on the performance of the transducer, aiming to determine procedures to facilitate the monitoring of the behavior of the transducer during its lifetime and the detection of degradations before they significantly affect the performance of the system.In the frame of this work, an original two-dimensional analytical model for coupled vibrations of finite piezoelectric resonators is proposed. General solutions for all the physical quantities in Cartesian and cylindrical coordinate systems are deduced from the governing equations. They are expressed as a series of trigonometric or Bessel functions. Electrical impedance, mode shape, and frequency spectrum of piezoceramics are calculated by the proposed analytical method as well as by the finite element method. Comparison of the results of these two methods shows an excellent agreement.A systematic investigation of the influence of different kinds of bonding delamination on the performance of single-element and linear array ultrasonic transducers is presented. Finite element models are developed to show the impact of bonding delamination as well as other factors on the electromechanical admittance (EMA) of ultrasonic transducers, which are composed of a piezoceramic disk or parallelepiped, a backing, and a matching layer. Experimental studies are set up to validate the models and quantitative indicators are proposed. 3D printed backings and matching layers are mounted on piezoceramic elements to obtain an intact model transducer and delaminated ones. Comparison between numerical and experimental results show a good agreement, which allows to affirm that changes in EMA can reveal the occurrence and extent of a delamination in an ultrasound probe.