Capteurs acoustiques pour la détection de fuites dans les réseaux de distribution d'eau et l'évaluation non destructive des structures : conception, optimisation et étude comparative

Acoustic sensors for leak detection in water distribution networks and non-destructive evaluation of structures : design, optimization and comparative study

• Auteur / Autrice : Najah Hamamed
• Direction : Rachid El Guerjouma, Nourdin Yaacoubi, Slim Bouaziz, Charfeddine Mechri, Mohamed Haddar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique. Mécanique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Le Mans en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans - Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Olivier Mattei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mounir Ben Amar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Najla Fourati-Ennouri, Aimé Lay-Ekuakille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle par émission acoustique

Dispositifs à ondes acoustiques de surface

Capteurs (technologie)

Détecteurs de fuites

Tuyaux d'eau

Eau -- Fuite

Mots clés libres

Capteurs acoustiques

SAW (Surface Acoustic Wave)

PZT (Plomb Zirconate Titanate)

PVDF (Polyvinyldène Fluoré)

Détection des fuites d'eau

SHM (Surveillance de l'Intégrité Structurelle)

Acoustic sensors

Surface acoustic wave (SAW)

PZT (Lead Zirconate Titanate)

Polyvinylidene fluoride (PVDF)

Water leak detection

SHM (Structural Integrity Monitoring)

Résumé

L'objectif de la présente thèse consiste à examiner, concevoir, mettre en œuvre et appliquer des capteurs acoustiques, pour détecter les fuites dans les réseaux de distribution d’eau. L'objectif principal est de comparer les performances des capteurs SAW, que nous les avons fabriqués, avec celles des capteurs plus courants en céramique PZT et en polymère PVDF pour la détection des fuites dans les canalisations d'eau. Le premier chapitre propose une revue exhaustive de la littérature sur les matériaux piézoélectriques, les capteurs acoustiques, ainsi que les différentes méthodes de détection des fuites d'eau dans les réseaux de distribution. L'objectif est de fournir une compréhension approfondie des principes de fonctionnement, des avantages et des inconvénients de chaque type de capteur, ainsi que des défis liés à la détection des fuites d'eau. Ensuite, nous présentons les capteurs acoustiques utilisés, en mettant l'accent sur les capteurs SAW qui sont étudiés de manière approfondie grâce à une modélisation analytique en utilisant MATLAB, une simulation numérique via COMSOL. Les détails du processus de conception et de fabrication sur un substrat flexible en PVDF sont exposés, y compris les spécifications du substrat, la géométrie du capteur. Dans la suite du travail sont présentés les résultats expérimentaux dont les expériences sont réalisées en laboratoire dans des conditions contrôlées. Dans la première partie, des résultats préliminaires concernant les performances des capteurs PZT et PVDF pour la détection des fuites d'eau dans les conduites plastiques (PVC) et métalliques (cuivre) sont présentés.Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats de l'application des capteurs SAW pour la détection de fuites sur des conduites en PVC. Ces résultats sont ensuite comparés à ceux obtenus avec les capteurs classiques PZT et PVDF étudiés dans la première partie, mettant ainsi en lumière les avantages potentiels des capteurs SAW en termes de sensibilité et de précision pour la détection des fuites d'eau. Enfin, le dernier chapitre de la thèse se penche sur l'utilisation des capteurs PZT et PVDF précédemment mentionnés pour caractériser l'état de santé des structures notamment de type mât, à l'aide de la méthode de la résonance acoustique non linéaire. L'objectif principal de ce chapitre est d'explorer de nouvelles perspectives pour l'utilisation des capteurs PVDF et SAW dans cette application dans une perspective de Contrôle de Santé Intégré – Structural Health Monitoring (SHM).

The objective of this thesis is to examine, design, implement, and apply acoustic sensors, for the detection of water leaks in distribution networks. The primary aim is to compare the performance of SAW sensors, that we made them, with that of more common sensors made of PZT ceramics and PVDF polymers for water leak detection in pipelines.The first chapter provides a comprehensive review of the literature on piezoelectric materials, acoustic sensors, as well as various methods for detecting water leaks in distribution networks. The goal is to provide a deep understanding of the operating principles, advantages, and disadvantages of each type of sensor, along with the challenges associated with water leak detection.Subsequently, we introduce the acoustic sensors used, with a strong focus on SAW sensors, which are thoroughly studied through analytical modeling using MATLAB and numerical simulation via COMSOL. Details of the design and manufacturing process on a flexible PVDF substrate are presented, including substrate specifications and sensor geometry.The following sections present experimental results, obtained through experiments conducted in a controlled laboratory environment. In the first part, preliminary results regarding the performance of PZT and PVDF sensors for detecting water leaks in plastic (PVC) and metallic (copper) pipelines are presented. In the second part, we showcase the results of applying SAW sensors for leak detection in PVC pipes. These results are then compared to those obtained with traditional PZT and PVDF sensors studied in the first part, highlighting the potential advantages of SAW sensors in terms of sensitivity and precision for water leak detection.Finally, the last chapter of the thesis delves into the use of the previously mentioned PZT and PVDF sensors to characterize the health status of structures, particularly mast-type structures, using the non-linear acoustic resonance method. The main objective of this chapter is to explore new possibilities for the utilization of PVDF and SAW sensors in this application, within the context of a Structural Health Monitoring (SHM) approach.