Caractérisation ultrasonore de plaques viscoélastiques homogènes et composites

par Abdelhak El Mouhtadi

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Jean Duclos et de Hugues Duflo.

Soutenue en 2011

à Le Havre .


  • Résumé

    Nous proposons de développer une méthode expérimentale et numérique qui soit capable d’évaluer simultanément les propriétés acoustiques et géométriques de plaques viscoélastiques homogènes. Au cours de cette étude, nous ne négligeons pas le fait que l’atténuation des ondes ultrasonores dans ce type de matériaux présente généralement un caractère dispersif au même titre que la vitesse de propagation. Afin de réaliser cette démarche, nous avons choisi d’étudier le coefficient de transmission d’une plaque immergée dans un fluide (eau ou air), en prenant en compte les effets dispersifs et dissipatifs des ondes dans la plaque (modèle de Szabo) et en intégrant ceux-ci au sein du modèle théorique. Nous avons inclus une correction de la diffraction sous forme d’une approximation pour tenir compte de la dimension finie de la source. Le modèle théorique ainsi choisi représente un des éléments clés nécessaires à la création d’une méthode d’identification des propriétés élastiques et dissipatives de matériaux viscoélastiques. Les autres points fondamentaux de cette méthode sont la mesure, en incidence normale, du coefficient de transmission de la plaque, ainsi que la routine d’optimisation. Nous avons mis au point deux techniques de mesure par immersion ou par air-coupling afin d’extraire la fonction de transmission en fréquence de la plaque. La routine d’optimisation développée sous Matlab® permet ensuite de faire évoluer les paramètres ajustables du modèle numérique jusqu’à obtenir une réponse identifiée proche de la réponse expérimentale, en recourant à un algorithme de minimisation de moindres carrés non-linéaire. Les propriétés extraites simultanément sont : l’épaisseur et la masse volumique de la plaque, ainsi que la vitesse et l’atténuation des ondes longitudinales dans la plaque. La procédure ainsi mise au point a été appliquée à plusieurs matériaux polymères, puis à des plaques composites (vieillies ou non). Nous avons vérifié que pour l’ensemble de ces plaques, l’épaisseur et la vitesse s’identifient correctement. La masse volumique est identifiée avec une précision moindre. En ce qui concerne l’atténuation, nous avons pu mettre en évidence son estimation plus délicate, en particulier pour le coefficient d’atténuation. Cependant, nous obtenons des résultats concluants pour l’identification de l’exposant de l’atténuation. Nous avons pu observer que les erreurs résiduelles entre les courbes expérimentales et identifiées étaient de l’ordre de 0,5% et 5% pour les mesures dans l’eau et dans l’air, respectivement.

  • Titre traduit

    Ultrasonic characterization of viscoelastic homogeneous and composite plates


  • Résumé

    We propose to develop an experimental and numerical method capable of evaluating simultaneously the acoustic and geometrical properties of homogeneous viscoelastic plates. In this study, we take into account the fact that the attenuation of ultrasonic waves in this type of materials presents a dispersive character as propagation velocity. To realize this, we selected to study the transmission coefficient of a plate immersed in a fluid (water or air), by taking into account the dispersive and dissipative effects of waves in the plate (Szabo’s model) and implementing them within the theoretical model. We included a correction of diffraction as an approximation to account for the finite size effects of the source. The theoretical model selected represents one of the key elements necessary for the creation of an inverse method devoted to the identification of the elastic and dissipative properties of viscoelastic materials. The other fundamental features of this method are the normally incident measurement transmission coefficient of the plate, as well as the optimization routine. We developed two measurement techniques which are based upon an immersion method or an air-coupled system to measure the frequency response transmission of the plate under investigation. The identification routine developed under Matlab® modifies the input parameters of the numerical model until a response close to the experimental data is obtained, by using a minimization algorithm for nonlinear least squares. The properties extracted simultaneously are : thickness and density, as well as the velocity and attenuation of longitudinal waves in the plate. The procedure has been applied to several polymer materials, then to composite plates (aged or not). We verified that for all of these plates, the thickness and velocity are generally correctly identified. Density is identified with a lower accuracy. Regarding attenuation, we highlighted that it estimation is more difficult, in particular for the attenuation coefficient. However, we obtained accurate results for the identified attenuation exponent. We could observe that the residual error between the experimental and identified models was of the order of 0. 5% and 5%, for measurements in water and air, respectively.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (152 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 149-152

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  • Bibliothèque : Université du Havre. Service commun de la documentation. Bibliothèque centrale.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : STH 954
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