Etude et développement des capteurs holographiques numériques pour l'analyse des vibrations

par Julien Leval

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Pascal Picart.

Soutenue en 2006

à Le Mans .


  • Résumé

    Ce travail de thèse est dédié à l’étude et au développement de capteurs holographiques numériques pour l’analyse des vibrations. Les techniques développées dans ce manuscrit sont basées sur l’holographie numérique de Fresnel hors axe dont l’avantage réside principalement dans la richesse de l’information extraite d’hologrammes numériques à partir d’un nombre restreint d’enregistrements : la méthode est d’un intérêt certain pour les mesures sans contacts et non invasives. Nous avons montré qu’il est possible d’étudier des structures sous excitation vibratoire forcée ou libre en régime stationnaire avec une évaluation globale qualitative et quantitative plein champ. Une première partie, couvrant des aspects théoriques, a été consacrée à la modélisation analytique de la relation objet-image du processus d’enregistrement/reconstruction holographique numérique dans les conditions de Fresnel. Cette étude a permis de dégager les paramètres qui dégradent la résolution spatiale du processus tels que l’influence de la surface active des pixels, d’un défaut de mise au point ou des défauts de planéités de la surface d’onde de référence. Des simulations numériques confortent les résultats analytiques. Par ailleurs, l’étude complète de la structure du champ diffracté permet l’optimisation des conditions d’enregistrement. Une seconde partie du travail a été dédiée à la mise en place expérimentale de capteurs holographiques numériques permettant la mesure plein champ et sans contact de champs cinématiques vibratoires. En particulier, nous avons démontré les propriétés des hologrammes numériques en temps moyennés dont la phase optique code la phase de zero-crossing de la fonction de Bessel modulant l’amplitude du champ reconstruit. Cette propriété permet de déterminer les lignes de contour du champ vibratoire avec un excellent contraste. L’holographie numérique en temps moyenné a été appliquée à l’évaluation non destructive des défauts d’un mode de haut parleur dôme et à la caractérisation d’une anche de clarinette en régime d’oscillation forcée. Dans le but de reconstruire l’amplitude et la phase mécanique d’un champ cinématique vibratoire, nous avons développé des dispositifs stroboscopiques en régime pulsé pour les fortes amplitudes et pseudo-pulsé pour des amplitudes contrôlées. L’analyse théorique des algorithmes de reconstruction du champ vibratoire a montré le domaine de validité des dispositifs. Par ailleurs, nous avons étendu les dispositifs mono-composantes à la mesure simultanée double composante par multiplexage spatial d’hologrammes numériques. L’architecture que nous avons proposée permet d’accéder simultanément en tout point de la surface étudiée à l’amplitude et la phase mécanique de la composante normale et d’une des composantes tangentielles. Les capteurs holographiques numériques présentés dans ce manuscrit ont été appliqués avec succès à différentes problématiques pour lesquelles la vibrométrie holographique numérique plein champ est parfaitement adaptée : caractérisation/comportement vibratoire d’un haut-parleur, fonction de transfert acoustique de joints élastomères pour l’industrie automobile, et comportement vibratoire d’une anche de clarinette en condition de jeu musical.

  • Titre traduit

    Study and design of digital holographic sensors for vibration analysis


  • Résumé

    This PhD thesis is devoted to the study and development of digital holographic sensors for vibration analysis. Tools developed during this work are based on digital off axis Fresnel holography. The main advantage of this is that digital holograms contain exhaustive information by way of a very small number of holographic recordings : the method is well suited to contactless and non-invasive optical testing. We have shown that a full field qualitative and quantitative vibration analysis is possible under forced or free stationary oscillations. As regards the first part of this work, a theoretical point of view is dedicated to the analytical modeling of object-image plane to plane relation of the full recording/reconstruction digital process under the Fresnel approximations. This study leads to a better understanding of the parameters controlling the spatial resolution of digital holography ; particularly, we were interested in studying effects of active surface of pixels, numerical focusing error or aberrations of the reference wave front. Numerical simulations support analytical results. Furthermore, a full description of the numerically reconstructed diffracted field allows us to optimize the recording setup. The second part of this work deals with the construction of digital holographic experimental setups allowing a full-field and contactless measurement of vibrations. Particularly, we have demonstrated some interesting properties of time averaged digital holograms for which the time averaged optical phase encodes the zero-crossing phase of the amplitude modulation function. Such a property allows a very high contrasted determination of contour lines of the vibration. Time averaged digital holography was applied to non destructive testing of the defaults of a dome mode and to the characterization of vibrations of a clarinet reed under forced excitation. With increasing needs for full field vibration amplitude and phase reconstruction, we have developed digital holographic setups in pulsed regime for high amplitude and pseudo-pulsed regime for controlled amplitude. Relevant theoretical analysis of algorithms allowing the recovering of the vibration field showed the domain for which the methods are quite valid. Furthermore, we have proposed an extension of the single sensitivity measurement to a simultaneous bidimensional measurement using spatial multiplexing of digitally recorded holograms. Such a setup allows a full field retrieving of the out of plane and in plane vibration. Optical sensors presented in this PhD thesis have been successfully applied to different challenges to which full field digital holographic metrology is very well fitted : vibration behavior of loudspeakers, acoustic transfer function measurement of elastomere automotive car joint and characterization of free oscillations of a clarinet reed in playing conditions.

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Informations

  • Détails : 1 v ol. (182 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 171-178

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2006LEMA1006
  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2006LEMA1006
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