Modélisation de la propagation d'ondes guidées, générées et détectées par transducteurs ultrasonores à couplage air : Application au CND de structures aéronautiques composites.

Modelling of the propagation of guided waves generated and detected by air-coupled ultrasonic transducers. : Application to NDT of composite aircraft structures

• Auteur / Autrice : Mohamed Masmoudi
• Direction : Michel Castaings
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingéniérie
• Date : Soutenance le 15/02/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Mejdi Azaïez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Veidt, Sébastien Rolet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Izbicki, Mohamed Haddar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Défauts

Métaux

Contrôle non destructif

Mots clés libres

Transducteurs ultrasonores à couplage par air

Ondes guidées

Modèle hybride

Détectabilité des défauts

Ultrasonic air coupled transducer

Guided waves

Hybrid model

Detectability of defects

Résumé

Le contrôle non destructif par ondes guidées générées et détectées par des transducteurs ultrasonores à couplage par air, présente deux avantages majeurs. Le premier réside dans la capacité des ondes guidées à transporter l’information sur la qualité du milieu sur une grande distance. De plus, l’absence d’un milieu de couplage liquide entre les capteurs et le milieu à tester, rend le contrôle plus commode. Ce travail consiste d’abord à développer un procédé de simulation numérique qui prend en considération de nombreux paramètres du système de contrôle. Dans une optique de réduire le nombre de degrés de liberté, un modèle hybride a été développé qui consiste en une combinaison entre un modèle analytique basé sur l’intégrale de Kirchhoff pour la propagation des ultrasons dans l’air et un modèle éléments finis de la propagation des ondes guidées dans le matériau. La mesure des caractéristiques du transducteur à couplage par air (efficacité de l’émetteur et sensibilité du récepteur) permet, d’une part, de calculer la valeur exacte de la pression dans l’air et les valeurs exactes des champs de contraintes et de déplacements dans la structure, pour une tension et une fréquence d’excitation, et d’autre part, de remonter à la tension électrique aux bornes de ce récepteur pour une pression rayonnée par le matériau. Par suite, cette caractérisation rend possible la comparaison entre les prédictions numériques de la réponse (en niveau de tension) du système et les mesures expérimentales correspondantes. A la lumière du modèle numérique développé, une optimisation des paramètres du système de contrôle (angle, fréquence,diamètre, direction de propagation, champ proche et champ lointain) a été effectuée pour améliorer la pureté des modes guidés par le matériau. Une manipulation expérimentale, basée sur un transducteur à couplage par air pour l’émission et une sonde laser pour la réception, a été alors mise en place pour valider quelques prédictions numériques. Ensuite, on a étudié l’interaction des ondes guidées ultrasonores avec des défauts de type délaminage enfouis dans une plaque composite à symétrie quadratique. Pour cela, on a analysé la sensibilité des deux modes fondamentaux A0 et S0 au délaminage en terme de détectabilité. En parallèle, on a traité un problème inverse qui consiste à dimensionner un délaminage par le calcul du spectre fréquentiel du coefficient de réflexion. Enfin, on a mis en évidence le potentiel des transducteurs à couplage par air à ausculter des pièces aéronautiques impactées.

Non-destructive testing (NDT) using guided waves generated and detected by air-coupled ultrasonic transducers have two main advantages. First, this non-contact technique without coupled medium allows obvious convenience of use. Moreover, the ability of guided waves to carry information about medium quality over long distance. In this context, a numerical model has been developed, which takes into account many parameters of the control system. In order to reduce the number of degrees of freedom, a hybrid model has been developed which consists of a combination between an analytical model, based on the Kirchhoff integral for the propagation of ultrasound in air and a finite element model for the propagation of guided waves in the material. The measured characteristics (efficiency and sensitivity) of two air-coupled transducers allow the prediction of the accurate values of the pressure of bulk waves generated in air and the measurement of the pressure of the radiated field in air by guided waves propagating in a structure. This process enables the comparison between predicted and measured guided waves modes. Based on the hybrid model, an optimization of the parameters of the control system (angle, frequency, diameter, direction of propagation, near and far field) was performed to improve the purity of guided modes along the material plate. To validate some numerical predictions, an aircoupled ultrasonic transducer is used and oriented at a specific angle chosen for generating one specific Lambmode guided along a composite plate sample, and a laser probe measures the normal velocity at different locations on the surface of the plate. Then, the interaction of ultrasonic guided waves with delamination in acomposite plate was studied. In particular, the sensitivity of the two fundamental modes A0 and S0 was analyzed in order to predict the detectability of the defect. In parallel, the inverse problem is solved and the defect size is quantified by calculating the spectrum of the reflection coefficient. Finally, the potential of air-coupled transducers to examine an aircraft structure, has been demonstrated.