Diffusion multiple d'ondes ultrasonores dans les polycristaux

Multiple scattering of ultrasonic waves in polycrystals

• Auteur / Autrice : Clément Du Burck
• Direction : Arnaud Derode
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Darmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Prada, Tony Valier-Brasier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bing Tie, Emmanuel Moulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Élasticité linéaire

Polycristaux

Ondes de surface

Diffusion multiple (physique)

Mots clés libres

Diffusion multiple

Ondes de surface

Polycristaux

Elasticité linéaire

Contrôle non destructif

Multiple scattering

Coherent surface waves

Polycrystals

Linear elasticity

Nondestructive testing

Résumé

Ces travaux de thèse concernent l'étude aux fréquences inférieures à 10 MHz de la diffusion multiple des ondes élastiques de surface (ondes de Rayleigh et « de tête ») se propageant en solide polycristallin. En premier lieu, une campagne de mesures expérimentales est mise en oeuvre afin d'estimer la moyenne statistique des ondes de surface (c'est-à-dire les ondes dites « cohérentes ») dans des alliages hétérogènes à base de nickel. Deux dispositifs expérimentaux sont employés : le premier utilise un réseau de transducteurs situé en surface de l'échantillon sondé, et le second est un montage laser permettant la génération et la détection sans contact d'ondes élastiques ultrasonores. Pour quantifier l'effet de la diffusion multiple, les libres parcours moyens de diffusion et les vitesses de phase des ondes de surface cohérentes sont estimés. L'accent est mis sur l'évaluation de l'incertitude associée à ces estimations par l'intermédiaire d'une analyse statistique du bruit présent dans les acquisitions expérimentales, à savoir la superposition du bruit de structure (inhérent aux hétérogénéités du milieu) et du bruit expérimental (électronique ou de quantification). Ensuite, en vue d'étudier théoriquement les ondes de surface sur lesquelles porte cette thèse, il est nécessaire d'évaluer préalablement les nombres d'onde effectifs longitudinal et transverse décrivant la propagation des ondes de volume cohérentes en solide polycristallin. La méthode proposée pour calculer ces nombres d'onde effectifs s'appuie sur des modèles théoriques déjà existants dans la littérature, mais en étend le domaine d'applicabilité en s'affranchissant d'hypothèses restrictives régulièrement faites. Enfin, les nombres d'onde effectifs des ondes de surface sont exprimés en fonction de ceux des ondes de volume. L'atténuation et la dispersion théoriques des ondes de surface cohérentes en milieu polycristallin peuvent ainsi être déterminées, ce qui fait l'objet d'une analyse et d'une comparaison avec les mesures expérimentales.

This thesis focuses on multiply-scattered surface acoustic waves (Rayleigh and ``head'' waves) propagating in polycrystalline media at frequencies below 10 MHz. Firstly, experimental measurements are conducted to estimate the statistical average of surface waves (i.e. the so-called ``coherent waves'') in coarse-grained nickel-based alloys. Two different experimental setups are employed: one uses a phased array probe layed against the surface of the metal being studied, while the other is a laser setup allowing for non-contact generation and detection of ultrasonic elastic waves. In order to quantify the influence of multiple scattering, the scattering mean-free paths and phase velocities of surface coherent waves are estimated. Emphasis is placed on assessing the uncertainty of these estimates through a statistical analysis of the noise contained in experimental measurements, that is, the combination of structural noise (due to the medium's heterogeneities) and experimental noise (i.e. electronic noise or quantization noise). Next, to enable a theoretical study of the surface waves addressed in this thesis, it is required to first determine the longitudinal and shear effective wavenumbers characterizing the propagation of coherent bulk waves in polycrystals. The proposed computation of these effective wavenumbers is based on existing theoretical models, but extends their range of validity by removing the need for a limiting hypothesis usually being made. Finally, expressions relating surface and bulk effective wavenumbers are derived. Theoretical attenuation and dispersion of surface waves in polycrystals are then determined, allowing analysis and comparison against experimental measurements.