Méthodes d'holographie numérique couleur pour la métrologie sans contact en acoustique et mécanique

par Patrice Tankam

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Pascal Picart et de Denis Mounier.

Soutenue en 2010

à Le Mans .


  • Résumé

    Ce travail de thèse propose des méthodes d’holographie numérique couleur pour la mesure sans contact dans le domaine de l’acoustique, de la mécanique du solide et de la mécanique des fluides. Les méthodes développées pourraient répondre à diverses problématiques académiques et industrielles, notamment, la détection de défauts et de fissurations dans des structures composites, l’analyse des déformations et des vibrations dans leurs 3 composantes, le contrôle de surface et de forme ou l’analyse de fluides dans le cas d’écoulements turbulents à mach subsonique et à mach supersonique. Cette thèse est organisée autour de 5 chapitres qui résument les différents axes de travail. Dans un premier temps, nous avons rappelé quelques aspects théoriques de l’holographie numérique et complété la connaissance du processus de formation des images holographiques numériques en proposant une formulation analytique généralisée incluant les courbures des ondes de référence et de reconstruction numérique, ainsi que des phénomènes non linéaires à l’enregistrement. En particulier nous nous sommes intéressés à développer un modèle de formation des images tenant compte de la saturation des pixels du capteur. Nous avons démontré que, bien que le phénomène de saturation soit non linéaire, nous pouvons néanmoins écrire la relation objet-image avec une formulation analytique linéaire utilisant des produits de convolution. L’analyse théorique a été complétée par une étude expérimentale qui a permis de valider l’approche retenue. Le modèle général de reconstruction permet dans un second temps de définir des stratégies pour la reconstruction numérique d’objets étendus encodés dans des hologrammes couleur. L’algorithme doit avoir pour spécificité de conserver l’horizon reconstruit indépendamment de la longueur d’onde d’enregistrement. Dans ce contexte, ce travail nous a conduit à proposer un algorithme de transformée de Fresnel avec zéro-padding dépendant de la longueur d’onde, puis des algorithmes de convolution à balayage spectral et à grandissement variable qui sont basés sur le concept d’adaptation de bande passante spatiale. Par ailleurs, pour les problématiques rencontrées en mécanique des fluides, nous avons adapté une méthode de filtrage par transformée de Fourier à la reconstruction des objets de phase. Ces algorithmes ont été appliqués expérimentalement à des enregistrements monochromes, bi-couleurs et tri chromatiques montrant ainsi leur grande versatilité. Les deux dernières parties de la thèse traitent du développement de dispositifs holographiques numériques à deux et trois longueurs d’onde pour la métrologie sans contact. Le volet expérimental couvre les champs de la mécanique du solide, l’acoustique et la mécanique des fluides. Nous avons développé plusieurs architectures : architectures bi-couleur et tri-couleur à multiplexage spatial des hologrammes, architecture bi-couleur et tri-chromatique à codage par stack de photodiode, architecture tri chromatique à codage par triple capteur. Les deux dernières architectures s’avèrent les plus simples à mettre en oeuvre. Le banc expérimental bi-couleur à multiplexage spatial a été appliqué à des problématiques industrielles et académiques. La première concerne l’identification de causes de fissuration de capacité sur des composants PCB pour l’automobile. Nous avons mis en évidence une anisotropie de contrainte sur la capacité lors de l’encastrement du PCB dans son support, conduisant ainsi à la probable fissuration de l’élément. La seconde application constitue une première tentative de mise en évidence de modes tourbillonnaires dans des milieux granulaires non consolidés. Nous avons développé deux stratégies de détermination du mouvement 3D du milieu à partir de l’enregistrement d’hologrammes bi-couleurs multiplexés spatialement. Les résultats expérimentaux des modes planaires montrent des tourbillons à certaines fréquences d’excitation du milieu. Nos résultats expérimentaux montrent quelques contradictions dont les causes ont été identifiées. Afin de lever toute ambiguïté nous avons développé un banc d’holographie numérique pseudo-pulsée à 3 couleurs permettant la détermination exclusive de chacune des composantes du vecteur déplacement. Dans le cadre d’une collaboration avec l’ONERA (centre de Lille), nous avons développé une méthode d’holographie numérique tri-chromatique pour l’étude d’écoulements tourbillonnaires. La méthode proposée permet la détermination du champ d’indice ou de masse volumique dans un écoulement et, après validation, a été appliquée à plusieurs cas d’écoulements à mach subsonique et à mach supersonique. Les résultats expérimentaux obtenus sont une première démonstration des potentialités d’application de la méthode d’holographie numérique couleur dans le domaine de la mécanique des fluides.

  • Titre traduit

    Digital color holography methods for contactless metrology in acoustics and mechanics


  • Résumé

    This study proposes methods of digital color holography for contactless measurement in the field of acoustics, solid mechanics and fluid mechanics. The developed methods could be used to solve many academic and industrial problems, such as flaw and the crack detection in composite structures, deformation analysis and 3-component vibration analysis, surface and shape control, or fluids analyses in the case of turbulent flows in subsonic and supersonic mach. This report is organized around 5 chapters which summarize the various working axes. Firstly we summed up some theoretical aspects of digital holography and completed the knowledge about the numerical process of image reconstructions in digital holography. We proposed a generalized analytical formulation which includes the curvatures of the reference and the reconstruction digital waves as well as the non-linear phenomena in the recording process. In particular we focused our interest on developing a theoretical formulation of image formation which takes into account the pixel saturation of the camera. We demonstrated that, although the saturation phenomenon is non-linear nevertheless, we can write the object-image relation with a linear analytical formulation using the convolution products. The theoretical analysis was completed with an experimental study which resulted in validating the suitability of the approach. Secondly the general formulation of the reconstruction leads to define strategies for the digital reconstruction of “extended” objects (“extended objects” means objects, whose size is larger than the camera) encoded in the color holograms. The proposed algorithm must preserve the reconstructed horizon independently from the recording wavelength. In this context we proposed the method of Fresnel transform with zero-padding depending on wavelength which helps to fulfill the previous condition. We also proposed two convolution algorithms whose concept is to adapt the spatial bandwidth of the convolution kernel to that of the object, the first one is based on the spectral scanning of the object spectrum and the second one is based on the adjustable magnification of the convolution kernel. Besides, the method of Fourier transforms filtering was adapted for transparent object in fluid mechanics. These algorithms were validated experimentally for monochromatic, two-wavelength and three-wavelength recordings, which validates their suitability. The two last parts of this study are focused on the development of digital holographic setups with two and three wavelengths for contactless metrology. We carried out the experimentations in the solid mechanical field, acoustic and fluid mechanical field. We developed three main architectures: the first one is based on bi-color and three-color architectures with spatial multiplexing of holograms whereas the second is based on bi-color and three-color holograms recordings with a stack of photodiodes, and the third is based on bi-color and three-color holograms recordings with TriCCD. The last two architectures turn out to be the simplest to operate. The bi-color experimental setup with spatial multiplexing was applied to industrial and academic problems. The first one concerns the investigation of the crack origin of capacitance on the hybrid industrial electronic components inside the automobile. We put in evidence the non-uniform deformations on the capacitance during the embedding of the PCB into the electronic box. This anisotropic of constraint could be the cause of the cracking of the capacitance. The second application constitutes a first attempt to reveal the whirlings modes inside the unconsolidated granular materials. Therefore we developed two strategies. We developed two strategies of determination of the 3D vibration motion of the granular materials using two-color holograms recording with spatial multiplexing. The experimental results of the in-plan displacements show the whirlings modes at some excitation frequencies of the field. These experimental results present some contradictions, whose causes have been identified. To solve this ambiguity we developed a three-color pseudo-pulsed digital holography resulting in the exclusive determination of each of the displacement components. In collaboration with the ONERA (Lille Center), we have developed a method of three-color digital holography for flow analysis. The proposed method leads to the determination of the field of the optical index or the flow density; after validation of the proposed method it was applied to several cases of flows in subsonic and supersonic mach. The obtained experimental results constitute a first demonstration of the potentialities of the method of color digital holography in the field of fluid mechanics.

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Informations

  • Détails : 1 vol. ([14]-237 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 221-231

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  • Bibliothèque : Université du Maine. Service commun de documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2010LEMA1018
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