Imagerie ultrasonore de défaut de contact sous sollicitations basse fréquence : application pour le contrôle santé de plaques élastiques

Ultrasonic imaging of contact defects under low frequency loading : application for structural health monitoring of elastic plates

• Auteur / Autrice : Marina Terzi
• Direction : Emmanuel Moulin, Lynda Chehami, Vladislav Aleshin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 14/03/2022
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniela Dragomirescu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Moulin, Lynda Chehami, Vladislav Aleshin, Anissa Meziane, Cédric Payan, Julien de Rosny, Bastien Chapuis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anissa Meziane, Cédric Payan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle par émission acoustique

Matériaux -- Essais

Mots clés libres

Contrôle santé intégré

Ondes de Lamb

Fonction de Green

Corrélation du bruit

Imagerie passive

Localisation sans référence

Beamforming

Expérience pompe-sonde

Contact de Hertz-Mindlin

Méthode des diagrammes de mémoire

Structural health monitoring

Lamb waves

Green’s function

Noise correlation

Passive imaging

Baseline-free localization

Beamforming

Pump-probe experiment

Hertz-Mindlin contact

Method of memory diagrams

Résumé

Le contrôle-qualité de matériaux par méthodes acoustiques sans référence suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI) au vu de la variabilité des conditions environnementales et opérationnelles. Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode de détection synchrone/non synchrone de défaut soumis à des sollicitations basses fréquences, permettant une localisation sans état hypothétique "sans défaut". Une série de tests "pompe-sonde" a été menée sur une plaque d'aluminium. Un pot vibrant est fixé sur cette dernière afin de la mettre en vibration à une fréquence de quelques Hz. Une bille solidaire d'une lame en acier est pressée contre la plaque (contact Hertzien) et joue le rôle d'un défaut (reproduisant ainsi un contact tel qu'on peut le rencontrer par exemple entre deux fronts d'une fissure). Un réseau de transducteurs piézoélectriques est utilisé pour faire l'imagerie ultrasonore. Le principe de la détection repose sur la modulation du contact entre la plaque et la bille par la vibration pompe basse fréquence. Des mesures ultrasonores répétées (onde sonde) permettent ainsi d'interroger le défaut dans plusieurs états de sollicitation. Un algorithme d'imagerie différentielle permet alors de mettre en évidence et localiser le défaut. Deux modes de détection ont été testés : 1) mode synchrone entre la pompe et les signaux ultrasonores et 2) mode non synchrone. Dans ce dernier cas, une correction par des coefficients de pondération ad-hoc permet d’améliorer la détection. Une étude paramétrique a été également réalisée en reliant le contraste des images en fonction de la section de diffusion de défaut. Ceci a permis de définir un seuil minimal de détection d’un défaut de type contact variable. L'application de cette méthode à l'imagerie passive par corrélation de bruit a donné des résultats encourageants, à condition d'augmenter la densité du réseau de capteurs ultrasonores. Enfin, des simulations numériques en 2D, modélisant l'interaction d'une onde ultrasonore avec un contact de frottement type "Hertz-Mindlin" ont été réalisées afin de comparer le défaut actuel (bille pressée sur la plaque) avec un défaut réaliste (une fissure).

In structural health monitoring, acoustic methods without use of a reference intact sample are nowadays of great interest due to variability of environmental and operational conditions. This thesis presents an acoustic reference-free method for detecting and localizing defects in thin plates. The proposed approach is based on pump-probe measurements and a differential signal processing algorithm. The pump-probe scheme here means the simultaneous excitation of low-frequency vibrations and high-frequency acoustic pulses generated by a piezoelectric transducer and recorded by an array of transducers of the same kind. The role of pumping vibrations is in imposing changes to loading conditions for a defect (here a model Hertzian contact i.e. a small ball pressed against the tested plate) while the ultrasonic Lamb wave pulses probe the defect in various loading states. Then a differential signal processing algorithm based on backpropagation of A0 Lamb mode is used to detect and locate the defect. Two detection modes have been studied: the mode requiring the synchronization between the pump and probe signals, and the non-synchronous mode. In the latter case, a correction with the use of ad hoc weight coefficients improves the detection. Further, a parametric study was performed by computing the image contrast as a function of the defect scattering cross-section that allowed us to determine a minimum detection threshold. The application of the method to passive imaging (i.e. using white noise instead of probe pulses) produced encouraging results for the price of increasing the number of receivers. Finally, numerical modeling for the interaction of an ultrasonic wave with a Hertz-Mindlin frictional contact was performed in 2D to compare the model defect (ball pressed against the plate) with a more realistic one (crack).