Soutenance mémoire
Actuellement, le transport est un service nécessaire et utile pour de nombreuses activités de la vie courante. Parmi les différents modes de transport existants, le transport aéronautique, ferroviaire, et fluidique subissent une importante croissance, surtout dans les dernières années. Dans le cas du transport fluidique, les risques majeurs proviennent de la corrosion interne et externe des canalisations métalliques de transport. En effet les tuyaux enterrés, exposés à l’atmosphère ou immergés dans l’eau sont menacés d’être corrodés. Sans un entretien adapté, tous les systèmes de pipelines finissent par se détériorer. La corrosion peut affaiblir l’intégrité structurelle d’un pipeline et en faire un vecteur de danger, surtout lorsque ce tube transporte des matières potentiellement dangereuses. De ce fait, la sécurité de ce mode de transport reste un enjeu primordial.
Parmi les différentes méthodes permettant d’assurer la sécurité, le Contrôle Non Destructif (CND) et le Contrôle Santé Intégré (CSI) sont les plus répandus. Le Contrôle Santé Intégré est considéré comme une solution aux problèmes que le Contrôle Non Destructif ne permet pas de résoudre. En effet, le CSI permet le contrôle continu des structures en temps réel en intégrant des capteurs directement dans les structures à contrôler, permettant ainsi un contrôle permanent. Ce dernier se différencie du CND qui utilise des sondes mobiles.
Plusieurs travaux de recherche ont été réalisés à l’IEMN-DOAE (Institut d’Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie – Département-Opto-Acousto-Électronique) de Valenciennes au sein de l’équipe TRUST (TRansduction Ultrasonore : Application à la Sécurité du Transport). Parmi ces recherches, citons les travaux de Moulin [1] qui a calculé les amplitudes des modes de Lamb en régime harmonique en développant une méthode hybride. L’optimisation du contrôle santé intégré a été étudiée par Grondel [2] pour les structures aéronautiques. Pour sa part, Paget [3] a développé une nouvelle technique basée sur les ondelettes, qui offrent un outil plus sensible pour détecter l’endommagement de faible dimension, et améliorent ainsi la performance des systèmes de détection de dommages. D’autre part, Duquenne [4] a développé une méthode d’estimation de la génération et de la réception transitoire d’ondes de Lamb par une méthode hybride, tout comme El Youbi [5] qui lui a développé un outil de traitement de signal capable d’identifier les modes de Lamb présents, et d’étudier leurs sensibilités à la présence de défauts. Par la suite, Benmeddour [6] a étudié l’interaction physique des ondes de Lamb avec les endommagements rencontrés dans les structures en aluminium. Baouahi [7] a quant à lui étudié le phénomène physique de propagation des ondes de Lamb en trois dimensions par l’intermédiaire de transducteurs mono et multiéléments. Enfin, Abou Leyla [8] a étudié le contrôle santé intégré passif en aéronautique, par corrélation du champ acoustique pour les structures aéronautiques.
L’objectif général de la thèse est l’exploitation du bruit ambiant présent dans une structure pour faire du contrôle santé intégré. Dans nos travaux de recherche nous allons représenter cette structure par une barre en aluminium de section rectangulaire pleine (de 1m de longueur, de 3cm de largeur, et de 3 mm d’épaisseur) et deux tubes creux l’un en aluminium et l’autre en acier (de 50 cm de longueur, de 5,6 cm de diamètre interne, et de 1,5 mm d’épaisseur). Pour atteindre cet objectif nous avons envisagé plusieurs travaux. Une étude bibliographique a été le point de départ pour bien maitriser ce sujet et connaitre les différentes études réalisées dans ce domaine. Un algorithme de comparaison a été développé pour tester le degré de ressemblance entre les images. Ces images correspondent à des corrélations filtrées du bruit ambiant. Puis, des études expérimentales menées sur la barre étaient des posttraitements pour bien comprendre les effets intéressants et passer à l’application qui nous intéresse, le transport fluidique (études menées sur des tubes).
Ondes ultrasonores et ondes de Lamb
Les ondes ultrasonores sont généralement des ondes acoustiques qui disposent d’une fréquence supérieure à la gamme de fréquences audibles et qui s’étend de 20Hz à 20kHz. Il s’agit d’un mode de propagation de l’énergie dans un milieu matériel sans transport de matière, autrement dit, une onde de pression qui se propage ou encore une variation de pression qui se déplace. Ces ondes de matière résultent du mouvement de particules d’un milieu fluide ou solide. Il s’agit donc de la propagation d’une énergie mécanique dans un milieu matériel qui sera alors soumis à une succession de pressions et de dépressions.
Selon la géométrie et la nature des milieux de propagation, différents types d’ondes pourront être cités. Les ondes de volume, ce sont des vibrations ayant la propriété de se propager à l’intérieur d’un volume. Leur vitesse de propagation dépend du matériau traversé, et augmente généralement avec la profondeur du milieu de propagation. On peut distinguer les ondes P (primaires) appelées aussi ondes longitudinales ou de compression. Ces ondes sont plus rapides que les ondes S (secondaires) appelées aussi ondes transversales ou de cisaillement. Les ondes secondaires ne se propagent pas dans des milieux liquides. Généralement les ondes de volume sont utilisées dans le domaine de séismologie.
Les ondes de surface, appelées aussi ondes de Rayleigh. Par opposition aux ondes de volumes, elles se propagent le long de la surface de tout milieu semi-infini [9], avec une amplitude qui décroit avec la profondeur. Ces ondes sont composées d’une partie longitudinale et d’une partie transversale. La vitesse de propagation des ondes de surface est plus petite que celle des ondes de volume. Ces ondes sont souvent utilisées dans des composants dits « SAW devices » (SAW : Surface Acoustic Wave) basés sur la transduction des ondes acoustiques.
Les ondes de Lamb, appelées aussi ondes guidées. Elles ne se propagent que dans des plaques et des disques minces dont l’épaisseur est plus petite que la longueur d’onde [10]. Contrairement aux types d’ondes déjà mentionnées précédemment, ces ondes se propagent sur des longues distances. Lorsque l’épaisseur du milieu de propagation devient relativement importante, la distinction entre les ondes de Lamb et celles de Rayleigh devient difficile [10]. Les ondes guidées sont multimodales et dispersives, et l’ordre des modes augmente en fonction de leur fréquence d’apparition. Il existe deux types d’ondes de Lamb, les ondes symétriques et les ondes antisymétriques. La maîtrise des propriétés de ce type particulier d’ondes est un enjeu principal dans beaucoup d’activités de recherche, surtout dans des applications de contrôle et de surveillance que l’on abordera par la suite, du fait que ces ondes permettent d’étudier l’état des structures sans les détériorer. D’autres types d’ondes ultrasonores peuvent également être distingués, comme les ondes de Love et les ondes de Stoneley… Les ondes ultrasonores peuvent être générées [12] par source lumineuse de type laser, effet électromagnétique ou électrostatique, magnétostriction ou bien par effet piézoélectrique, qui est basé sur des matériaux piézoélectriques, et qui est le moyen le plus répandu. Les matériaux piézoélectriques ont l’avantage d’être utilisés en émission aussi bien qu’en réception.
Contrôle Non Destructif
Le contrôle non destructif (CND) est un ensemble de méthodes permettant de déterminer l’état d’une structure sans la détériorer ou porter atteinte à son intégrité. L’idée est donc ici de détecter la présence d’un endommagement dans une structure, soit pendant sa fabrication pour le contrôle qualité, soit en cours d’utilisation pour le suivi et la maintenance. Il s’agira de plus de déterminer les caractéristiques de cet endommagement et de mesurer ses paramètres dimensionnels ou constitutifs. Rappelons qu’on peut aussi distinguer les essais ou les examens non destructifs (END).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 ONDES ULTRASONORES ET ONDES DE LAMB
I.3 CONTROLE NON DESTRUCTIF
I.4 CONTROLE SANTE INTEGRE
I.5 PASSAGE DU CONTROLE ACTIF AU CONTROLE PASSIF
I.5.1 Illustration de la méthode
I.5.2 Fonction de Green
I.5.2.1 Fonction de Green en espace libre
I.5.2.2 Fonction de Green en espace limité
I.5.2.3 Relation de réciprocité
I.5.3 La corrélation de champ acoustique
I.5.4 Contrôle santé intégré dans le cas d’un champ non diffus
I.6 CONCLUSION
CHAPITRE II: ALGORITHME DE COMPARAISON D’IMAGES MATRICIELLES SIMPLES
II.1 INTRODUCTION AU TRAITEMENT D’IMAGE
II.2 EXTRACTION DES MINIMUMS LOCAUX D’UNE IMAGE
II.2.1 Définition d’une image de seize pixels
II.2.2 Extraction des premières valeurs minimes
II.2.3 Regroupement des premières valeurs minimes dans des zones
II.2.4 Minimums locaux extraits
II.3 CALCUL DU TAUX DE RESSEMBLANCE ENTRE DEUX IMAGES
II.3.1 Calcul de la distance euclidienne entre les différents minimums locaux de deux images
II.3.2 Calcul de la moyenne des distances entre un minimum local d’une image et celui qui lui est voisin de l’autre image
II.4 VARIATION DU TAUX DE RESSEMBLANCE EN FONCTION DE LA VARIATION DES MINIMUMS LOCAUX
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III: LOCALISATION D’UNE POSITION INCONNUE D’UNE SOURCE ACOUSTIQUE
III.1 CORRELATION DES SIGNAUX ALEATOIRES ET DETERMINISTES
III.1.1 Corrélation des signaux déterministes
III.1.1.1 Cas de signaux à puissance moyenne finie – Définition
III.1.1.2 Cas de signaux à énergie finie – Définition
III.1.2 Corrélation des signaux aléatoires
III.1.2.1 Définition
III.1.2.2 Estimation de la fonction de corrélation
III.2 SIMULATION D’UNE PLAQUE REVERBERANTE
III.2.1 Simulation de la propagation d’un signal dans une plaque rectangulaire
III.2.2 Résultats de simulation de la propagation des signaux et image temps fréquence correspondante
III.3 VALIDATION NUMERIQUE DE L’ALGORITHME DE COMPARAISON
III.3.1 Variation de la moyenne des distances en fonction de la position de la source
III.3.2 Limitations
III.3.3 Sous-échantillonnage temps et fréquence
III.4 LOCALISATION DE LA SOURCE
III.5 CONCLUSION
CHAPITRE IV: CONVERGENCE DE L’INTERCORRELATION VERS LA FONCTION DE GREEN ET INFLUENCE DE LA PRESENCE D’UN DEFAUT
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 VALIDATION EXPERIMENTALE
IV.2.1 Équivalence entre la fonction de Green et l’intercorrélation
IV.2.2 Barre en aluminium
IV.2.2.1 Dispositif expérimental
IV.2.2.2 Cas actif
IV.2.2.3 Cas passif (estimation de l’intercorrélation)
IV.2.2.4 Comparaison entre le cas actif et le cas passif
IV.2.2.5 Estimation du nombre nécessaire de positions de la source
IV.3 TUBES EN ALUMINIUM ET EN ACIER
IV.3.1 Dispositif expérimental
IV.3.2 Comparaison entre le cas actif et le cas passif – Tube en aluminium
IV.3.3 Comparaison entre le cas actif et le cas passif – Tube en acier
IV.4 INTRODUCTION DE DEFAUT DANS LE TUBE EN ACIER
IV.5 ÉCOULEMENT TURBULENT DE L’EAU
IV.5.1 Nombre de Reynolds
IV.5.2 Pompe de débit 25 L/min
IV.5.2.1 Utilisation de transducteurs piézoélectriques (FT-27T)
IV.5.2.2 Utilisation de transducteurs R3α
IV.5.3 Pompe de débit 250 L/min
IV.6 FILTRAGE PASSE-BANDE
IV.7 CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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