Quel est le potentiel des techniques ultrasonores pour la caractérisation et l'expertise des œuvres peintes du patrimoine artistique ?

What is the potential of utrasonic techniques for the characterisation and expertise of artistic heritage paintings?

• Auteur / Autrice : Victor Takahashi
• Direction : Marc Lethiecq, Jérôme Fortineau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 17/10/2022
• Etablissement(s) : Tours
• 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 : Groupe de recherche en Matériaux, Microélectronique, Acoustique et Nanotechnologies
• Jury : Président / Présidente : Gilles Despaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Lethiecq, Nicolas Wilkie-chancellier, Jérôme Fortineau, Chiara Lastraioli, Hamida Hallil-abbas
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicolas Wilkie-chancellier, Gilles Despaux

Mots clés

Mots clés libres

Instrumentation

Ondes ultrasonores

Expertise

Conservation et restauration d'œuvres d'art peintes

Caractérisation

Characterisation

Conservation and rehabilitation of paintings

Instrumentation

Expertise

Ultrasonic waves

Résumé

Les œuvres d'art sont des structures complexes formées de plusieurs couches de matériaux aux propriétés et épaisseurs différentes. Ce sont des structures fragiles qui peuvent être endommagées par l'exposition à la température, à l'humidité et aux vibrations. Des techniques telles que la lumière rasante, les rayons X, les rayonnements infrarouges et UV fournissent aux restaurateurs certaines informations sur l'état de l'œuvre et son passé. La technique ultrasonore, contrairement aux autres, utilise des ondes élastiques pour fournir des informations sur les caractéristiques mécaniques des matériaux. Dans ce travail, nous avons développé un système qui utilise des transducteurs à couplage aérien focalisés ainsi que des moteurs continus pour le balayage afin d'effectuer des mesures sur plusieurs peintures anciennes. Le contexte théorique est présenté avec l'étude de sensibilité de différents paramètres mécaniques de la structure de la peinture et de leurs épaisseurs en utilisant le modèle de matrice de rigidité. L'analyse des coefficients de diffusion (transmission et réflexion) montre l'apparition et prévoit le comportement des angles critiques. Dans le cadre de la thèse, une méthode a été développée pour caractériser les constantes élastiques de plusieurs matériaux en utilisant les angles critiques du champ de transmission et le modèle de matrice de rigidité. L'efficacité d'une méthode d'optimisation pour remonter aux propriétés des matériaux, réalisée à l'aide d'un algorithme génétique, est démontrée pour des plaques simples et des structures bicouches. Les résultats sont conformes à ceux de la littérature pour les matériaux isotropes et anisotropes tels que l'acrylique, le gesso, la peinture et la toile. Une étude des modes de propagation et des courbes de dispersion est présentée. Les peintures anciennes sont caractérisées sans le contact avec l'échantillon. L'amplitude de transmission entre deux transducteurs couplés à l'air est mesurée sur un chemin en zigzag. Les amplitudes sont converties en une image ultrasonore où une étude qualitative est réalisée. Les résultats expérimentaux montrent que les ultrasons sont sensibles à la surface et aux couches internes des peintures, et qu'ils sont capables d'indiquer les fissures, les trous, les variations d'épaisseur et la quantité de matériau.

Artwork are complex structures formed by multiple layers of materials with different properties and thicknesses. They are fragile structures and can be damaged by exposure to temperature, humidity, and vibrations. Techniques such as raking light, x-rays, infrared and UV provide restorers with some information about the condition of the work and its past. The ultrasonic technique, unlike the others, uses elastic waves to provide information about the mechanical characteristics of the materials. In this work we have developed a system that uses focused air-coupled transducers together with continuous motor scanning devices in order to perform experimental tests on several old paintings. Theoretical background is presented with the sensitivity study of different mechanical parameters of the painting structure and their thicknesses using the stiffness matrix model. Transmission and reflection coefficients analysis shows the appearance of critical angles and can predict their behaviour. In the scope of the thesis, a method was developed for characterizing the elastic constants of several materials using the critical angles of the transmission field and the stiffness matrix model. The efficiency of an optimization process to retrieve material properties, based on a genetic algorithm, is demonstrated for single plates and bi-layered structures. The results are consistent with those from the literature for isotropic and anisotropic materials such as acrylic, gesso, paint and canvas. A study of the propagation modes and dispersion curves is presented. Paintings must be characterized avoiding any contact with the sample. The transmission amplitude between two air-coupled transducers is measured and scanning in a zigzag path is implemented. The amplitudes are coded by grey or different colour levels to obtain an ultrasound image on which a qualitative study is made. Experimental results show that ultrasound transmission is sensitive to the surface and the internal layers of the paintings, and it is capable to indicate presence of cracks, holes, thickness variations and material quantity.