Interaction des ondes ultrasonores avec les endommagements en exploitant la transmission de données numériques par ondes guidées : application aux véhicules intelligents

Interaction of ultrasonic waves with damage by exploiting the transmission of digital data using guided waves : Application to smart vehicles

• Auteur / Autrice : Rudy Bahouth
• Direction : Jamal Assaad, Emmanuel Moulin, Farouk Benmeddour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 07/06/2022
• 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 : Geneviève Duchamp
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jamal Assaad, Emmanuel Moulin, Farouk Benmeddour, Odile Abraham, Hervé Franklin, Salah-Eddine Hebaz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Odile Abraham, Hervé Franklin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais

Matériaux -- Fatigue

Modulation de phase

Lamb, Ondes de

Systèmes de communication sans fil

Mots clés libres

Ondes de Lamb

Communication sans fil

Pourcentage d'erreur des bits

Encoches symétriques

Encoches asymétriques

Intercorrélation

Modulation par phase

Détection d'endommagements

Lamb waves

Wireless communication

Bit error percentage

Symmetrical notches

Asymmetrical notches

Cross-correlation

BPSK modulation

Damage detection

Résumé

La transmission des données numériques à travers des canaux métalliques est recommandée dans certaines industries comme le nucléaire, l'aérospatiale et les véhicules intelligents. En plus de l'effet de la cage de Faraday des ondes électromagnétiques, un autre problème lié à la présence des endommagements existe. Pour cela, les ondes guidées ultrasonores, telles que les ondes de Lamb, peuvent être un bon substitut, car elles peuvent fournir des informations sur l'état de santé de la structure. L'objectif de ce travail est de construire une plate-forme de communication sans fil à haut débit en assurant une détection d'endommagement simultanément et en utilisant des ondes guidées ultrasonores, à travers des plaques saines et endommagées. Dans un premier temps des démodulations cohérentes et non cohérentes par amplitude, Amplitude Shift Keying (ASK) et On Off Keying (OOK) et par phase, Binary Phase Shift Keying (BPSK) sont étudié. Les résultats pour la plaque saine ont montré que la dispersion, les multiples réflexions affectent fortement la qualité du signal. C'est pour cela un algorithme de démodulation numérique basé sur l'inter-corrélation est testé expérimentalement pour une plaque saine. Après cela l'effet des multiples réflexions et des conversions de mode causées par les Encoches Symétriques et Asymétriques (ES et EA), sont étudiés en utilisant la méthode BPSK qui offre la stabilité et le débit de données les plus élevés. Les résultats expérimentaux basés sur l'analyse du Pourcentage d'Erreur des Bits (PEB) prouvent que l'algorithme a réussi à compenser l'effet de la dispersion pour la plaque saine, et de multiples réflexions et conversions de mode pour les plaques endommagées. Enfin, un concept de communication et de détection des endommagements simultané en utilisant une simulation par élément fini est proposé. Ce concept est basé sur la séparation des modes fondamentaux et du pourcentage de ressemblance des signaux. Les résultats ont montré une diminution proportionnelle du pourcentage de ressemblance pour le mode S0 par rapport à la plaque saine, avec l'augmentation de la profondeur d'endommagement. La diminution dans le cas EAs était supérieure aux ESs due aux phénomènes de conversions modales.

Data transmission through solid metallic channels is recommended in certain industries where no other options are proposed, such as nuclear, aerospace and smart vehicles. In addition to Faraday shielding effect of electromagnetic waves, another issue related to damage presence exists. A severe damage in the transmission channel leads to signal loss at the receiver. For this sake, ultrasonic guided waves, such as Lamb waves, may be a good substitute since they can guive important information about the health of the structure. The scope of this work is to build a high data rate wireless communication combined damage detection platform, using ultrasonic guided waves, through healthy and damaged plates. At first, the demodulation of Amplitude Shift Keying (ASK), On Off Keying (OOK) and Binary Phase Shift Keying (BPSK) using coherent and no-coherent algorithms used in telecommunications are tested. Results for the healthy plate have shown that dispersion, reverberation, scattering and boundary reflexions highly affects the signal quality and prevent wireless communication at high data rates. A demodulation algorithm based on cross-correlation is tested experimentally for a healthy plate at first. After this, the effect of multiple reflexions and mode conversions caused by Symmetrical and Asymmetrical Notches (SN and AN), are studied using BPSK that gives the highest stability and data rate over other techniques. Experimental results based on Bits Error Percentage (BEP) analysis, proves that the algorithm has succesfully compensated the effect of dispersion and boundary reflections for the healthy plate, and multiple reflections and mode conversions for the damaged ones. Finally, a combined communication and damage detection concept using a finite element simulation is proposed based in fundamental modes separation and similarity percentage. Results have shown a proportional decrease of the similarity persentage for S0 mode with respect to the healthy plate with the increase of the damage depth. The decrease in the case of ANwas higher than SN due to mode conversions.