Transducteurs ultrasonores capacitifs multiéléments à couplage air pour un contrôle non destructif à focalisation dynamique de matériaux : modélisation, simulations numériques et expériences

par Di Zhang

Thèse de doctorat en Mécanique et ingénierie

Sous la direction de Michel Castaings.

Soutenue le 20-11-2013

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de Laboratoire de Chimie des polymères organiques / LCPO (laboratoire) .

Le président du jury était Marc Deschamps.

Le jury était composé de Mathieu Renier.

Les rapporteurs étaient Didier Cassereau, Dominique Certon.

mots clés

• Traducteur ultrasonore multi-élément capacitif à couplage air
• Contrôle non destructif
• Simulation par élément finis
• Méthode analytique
• Modèle hybride 3D
• Plaque composite
• Transducteurs ultrasonores
• Contrôle non destructif
• Éléments finis, Méthode des

Résumé

Cette thèse porte sur le développement d'un traducteur ultrasonore multi-élément capacitif à couplage air (MEACUT) et son utilisation dans le domaine du contrôle non destructif (CND) de matériaux. Un modèle est employé pour simuler numériquement ce traducteur, et pour optimiser sa conception. Un prototype est ensuite fabriqué, puis caractérisé expérimentalement pour quantifier ses performances. Son originalité réside dans le fait qu'il possède une large bande passante en fréquence, tout en offrant la possibilité d'une focalisation variable. Ce prototype est alors employé pour la détection d'un endommagement causé par impact, dans une plaque composite. Il est clairement constaté que la résolution spatiale du procédé d'inspection employé (C-scan) est fortement améliorée grâce aux performances techniques du MEACUT. Enfin, un modèle hybride 3D est développé pour simuler, rapidement et intégralement, ce procédé de CND. Le très bon accord obtenu entre prédictions numériques et mesures expérimentales laisse présager que cet outil de simulation pourra servir à mettre au point d'autres expérimentations de CND, qui pourront à leur tour exploiter les performances du MEACUT.

mots clés

• Multi-Element Air-coupled Capacitive Ultrasonic Transducer
• Non-destructive testing
• Finite element simulation
• Analytical method
• 3D hybrid model
• Composite plate

Titre traduit

Multi-element air-coupled capacitive ultrasonic transducer with dynamic focusing for non-destructive testing of materials : modelling, numerical simulations and experiments

Résumé

This thesis focuses on the development of a Multi-Element Air-coupled Capacitive Ultrasonic Transducer (MEACUT) and its use in the field of non-destructive testing (NDT) of materials. A numerical model is used to simulate the translator, and to optimize its design. A prototype is then built and experimentally characterized to quantify its performance. Its originality lies in the fact that it has a broad frequency bandwidth while offering the possibility of a dynamic focusing. This prototype is then used for the detection of damage caused by impact, in a composite plate. It is clearly found that the spatial resolution of the inspection process employed (C-scan) is greatly improved thanks to the technical performance MEACUT. Finally, a 3D hybrid model is developed to simulate quickly and fully, the process of NDT. The good agreement obtained between numerical predictions and experimental measurements suggests that this simulation tool can be used to develop other NDT experiments, which may in turn exploit the performance of MEACUT.