Modélisation des capteurs d’émission acoustique en vue de la simulation d’un contrôle

par Nicolas Boulay

Thèse de doctorat en Mathématiques et Informatique

Sous la direction de Alain Lhémery.

Soutenue le 22-12-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Simulation et Modélisation (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Denis Aubry.

Le jury était composé de Alain Lhémery, Denis Aubry, Nathalie Godin, Sébastien Grondel, Thomas Monnier, Emmanuel Le Clézio.

Les rapporteurs étaient Nathalie Godin, Sébastien Grondel.


  • Résumé

    Le contrôle non-destructif (CND) par émission acoustique (EA) permet la détection de la création ou de l’évolution de défauts. Il repose sur l’utilisation d’un ou plusieurs capteurs pouvant être installés de façon permanente à l’écoute d’événements pouvant se dérouler au sein de structures de grandes dimensions. Dans le cadre du développement d’un simulateur de CND/EA, cette thèse s’intéresse à la modélisation de la mesure par un capteur d’EA d’un champ d’ondes élastiques quelconque. Une formulation exacte, puis une formulation approchée qui en dérive, sont obtenues à partir du principe de réciprocité électromécanique, de la réponse d’un capteur d’EA à une onde. On démontre que le calcul précis de ces réponses ne peut pas être effectué sous les hypothèses simplificatrices couramment faites conduisant naturellement à un modèle unidimensionnel. Au contraire, on démontre que pour les capteurs courants, du fait de leur conception visant à les rendre sensibles sur une large gamme de fréquences, les modes complexes de vibration de l’élément piézoélectrique et la propagation des ondes dans le boîtier du capteur influencent fondamentalement sa réponse. Un modèle éléments finis de capteur est proposé, validé expérimentalement et utilisé pour mener à bien des études paramétriques utiles à l’opérateur pour choisir un capteur, ou au fabriquant de capteur pour en optimiser la conception. Une représentation de la sensibilité des capteurs d’EA est proposée beaucoup plus complète que ce qui est généralement connu des capteurs. Une stratégie de simulation reposant sur la constitution d’une base de données de ces sensibilités est développée.

  • Titre traduit

    Modeling acoustic emission sensors for the simulation of a control


  • Résumé

    Nondestructive testing (NDT) by acoustic emission (AE) allows the detection of the formation or the evolution of defects. It relies on the use of one or several sensors that can be permanently attached to a large structure to listen to AE events that can happen. In the framework of the development of a tool for simulating NDT/AE, this thesis aims at modeling the measurement of arbitrary elastic wave field by AE sensor. An exact formulation, then an approximate one which derives from it, are obtained from the electromechanical reciprocity principle, of the response of an AE sensor to elastic waves. It is demonstrated that the accurate calculation of these responses cannot be made under the usual simplifying hypotheses which lead naturally to one-dimensional model. Rather the opposite, it is demonstrated that for standard sensors conceived to be highly sensitive over a large bandwidth, complex vibration modes together with the sensor case influence fundamentally their response. A finite element model is proposed, experimentally validated and used to conduct parametric studies helpful for an operator choosing a sensor, for a manufacturer to optimally conceive sensors. A representation of AE sensor sensitivity is proposed, far more complete than what is usually known about sensors. A simulation strategy is developed relying on the formation of a database of sensor sensitivities.


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