Transmission d'un faisceau ultrasonore borné en incidence normale à travers une plaque immergée. Application à l'évaluation non destructive localisée d'assemblages collés.

Transmission of a bounded ultrasonic beam through an immersed plate. Application to the localized non-destructive evaluation of bonded assemblies.

• Auteur / Autrice : Victor Gayoux
• Direction : Michel Castaings
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/06/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Eric Papon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Renier, Samuel Raetz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Lhémery, Joseph Moysan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Spectroscopie

Assemblages collés

Contrôle non destructif

Ultrasons

Mots clés libres

Ultrasons

Évaluation non destructive

Assemblages collés

Spectroscopie

Modules de viscoélasticité

Ultrasound

Non destructive testing

Adhesively bonded joint

Spectroscopy

Viscoelastic moduli

Résumé

Ces travaux de thèse portent sur une nouvelle méthode de caractérisation de propriétés mécaniques de matériaux, basée sur la mesure de la transmission d’un faisceau ultrasonore borné en incidence normale à travers une plaque immergée dans l'eau. Le champ émis par un transducteur ultrasonore comporte de multiples composantes angulaires du fait de la diffraction. Ainsi, même si la direction principale du faisceau ultrasonore est normale à la plaque, des composantes du faisceau incident rencontrent la plaque sous incidence oblique et peuvent être à l'origine de la génération d’ondes de Lamb fuyantes. Le champ ultrasonore transmis peut alors présenter des différences importantes par rapport au coefficient de transmission en ondes planes sous incidence normale. L’ampleur des effets de faisceau borné dépend non seulement du degré de diffraction, régi par la valeur du rapport entre la longueur d’onde et la dimension des transducteurs, mais également de la nature des ondes guidées générées. Lorsque ces modes sont rétropropagatifs, c’est-à-dire lorsque leurs vitesses de groupe et de phases sont de signes opposés, l’influence de la diffraction sur le champ transmis est bien plus prononcée que lorsque les modes concernés sont propagatifs (i.e. dont les vitesses de groupe et de phase sont de même signe). La génération de modes rétropropagatifs a notamment pour effet une collimation du champ ultrasonore en sortie de plaque. Le spectre du signal transmis dépend alors non seulement du module de compression mais également du module de cisaillement du matériau traversé. Basée sur ce phénomène, une méthode de spectroscopie ultrasonore est établie pour évaluer les deux modules de (visco)élasticité au moyen de la mesure de la fonction de transfert en incidence normale (rapport entre le spectre du signal transmis à travers la plaque et le spectre du signal propagé dans l’eau sans la plaque). Cette caractérisation des propriétés mécaniques du matériau est locale, grâce à la dimension réduite du faisceau borné. Le procédé repose sur la résolution d’un problème inverse pour lequel un modèle faisceau borné est utilisé. La prise en compte de la phase de la fonction de transfert dans la définition de la fonction coût permet d’évaluer l’épaisseur de la plaque en complément de l’évaluation des deux modules de (visco)élasticité. Cette méthode a tout d’abord été appliquée à la caractérisation de plaques monocouches isotropes, élastiques puis viscoélastiques, avant de servir à évaluer des modules de (visco)élasticité d’une couche d’adhésif au sein d’assemblages tri-couches de type aluminium/époxy/aluminium. Des intervalles de confiance pour les grandeurs quantifiées sont systématiquement estimés et discutés. Le potentiel de la méthode développée pour réaliser une cartographie des propriétés viscoélastiques et/ou de l’épaisseur d’un matériau seul ou d’une couche au sein d’un assemblage a été démontré.

This thesis work deals with a new characterization method of mechanical properties of materials, based on the measurement of the transmission of a bounded ultrasonic beam at normal incidence through a plate immersed in water. The field emitted by an ultrasonic transducer has multiple angular components due to diffraction. Thus, even if the main direction of the ultrasonic beam is normal to the plate, oblique incident components of the ultrasonic beam can cause the generation of leaky Lamb waves. The transmitted ultrasonic field can then exhibit significant discrepancies in comparison to the plane wave transmission coefficient under normal incidence. The importance of the bounded beam effects depends not only on the degree of diffraction, governed by the value of the wavelength to transducer size ratio, but also on the nature of the guided waves generated. When these modes are backward, i.e. when their group and phase velocities are of opposite signs, the influence of diffraction on the transmitted field is much more pronounced than when the modes concerned are forward (i.e. whose group and phase velocities are of the same sign). The generation of backward modes results in a beam narrowing of the through-transmitted ultrasonic field. The spectrum of the transmitted signal depends not only on the compression modulus but also on the shear modulus of the material. Based on this phenomenon, a method of ultrasonic spectroscopy is established to evaluate the two (visco)elastic moduli by means of the measurement of the transfer function at normal incidence (ratio between the spectrum of the signal transmitted through the plate and the spectrum of the signal propagated in the water without the plate). The characterization of the mechanical properties of the material is local thanks to the reduced size of the bounded beam. The method is based on the resolution of an inverse problem for which a bounded beam model is used. Taking into account the phase of the transfer function in the definition of the cost function allows to evaluate the thickness of the plate in addition to the evaluation of the two (visco)elastic moduli. This method was first applied to the characterization of isotropic, elastic and then viscoelastic single-layer plates, before being used to evaluate the (visco)elastic moduli of an adhesive layer of aluminum/epoxy/aluminum tri-layer assemblies. Confidence intervals for the quantified quantities are systematically estimated and discussed. The potential of the developed method to map the viscoelastic properties and/or thickness of a single material or a layer of an assembly has been demonstrated.