Contribution a l'etude de la generation d'ondes de LAMB par transducteurs piezoelectriques integres. Application a la modelisation de materiaux sensibles PDF Download
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Author: Emmanuel Moulin
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Category :
Languages : fr
Pages : 306
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Book Description
Les matériaux composites, utilisés abondamment en aéronautique, offrent des avantages certains et bien connus (faible masse volumique, bonnes propriétés mécaniques). Ils ont cependant le gros défaut d'être très sensibles aux impacts et sont susceptibles de subir des dégradations critiques du fait de leur environnement hostile. Le contrôle-santé de ces matériaux est donc d'une importance capitale. Les politiques actuelles de maintenance aéronautique imposent des contrôles réguliers qui immobilisent périodiquement les avions pendant de longues périodes. L'objectif final des recherches effectuées dans le cadre de cette thèse est donc de remplacer à terme ces périodes d'inspection par des contrôles permanents des matériaux en cours de fonctionnement normal. La solution proposée est l'utilisation de transducteurs piézoélectriques intégrés (collés en surface ou insérés). Les ondes ultrasonores générées de cette manière, dites ondes de Lamb, sont capables de se propager sur longues distances et d'interagir avec les défauts types des structures considérées. La propagation des ondes de Lamb étant en général multimode, il apparait que la possibilité de sélectionner les modes générés est un aspect important du problème. Or, la génération par transducteurs miniatures ne permet pas cette sélection de façon triviale. Aussi, une technique de modélisation adaptée à ce type de système a-t-elle été développée. Cette technique, exploitant une approche couplée méthode des éléments finis - développement en modes normaux, permet de prévoir les ondes de Lamb générées, en fonction des paramètres du transducteur et de la plaque. En plus de validations numériques, les résultats expérimentaux préliminaires ont permis de vérifier la faisabilité technologique de ce type de système, et de valider en partie cette modélisation. Des exemples pratiques d'application de la méthode pour les cas du transducteur mono- et multi-élément en surface, ainsi que mono-élément inséré sont également présentés.
Author: Emmanuel Moulin
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Languages : fr
Pages : 306
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Les matériaux composites, utilisés abondamment en aéronautique, offrent des avantages certains et bien connus (faible masse volumique, bonnes propriétés mécaniques). Ils ont cependant le gros défaut d'être très sensibles aux impacts et sont susceptibles de subir des dégradations critiques du fait de leur environnement hostile. Le contrôle-santé de ces matériaux est donc d'une importance capitale. Les politiques actuelles de maintenance aéronautique imposent des contrôles réguliers qui immobilisent périodiquement les avions pendant de longues périodes. L'objectif final des recherches effectuées dans le cadre de cette thèse est donc de remplacer à terme ces périodes d'inspection par des contrôles permanents des matériaux en cours de fonctionnement normal. La solution proposée est l'utilisation de transducteurs piézoélectriques intégrés (collés en surface ou insérés). Les ondes ultrasonores générées de cette manière, dites ondes de Lamb, sont capables de se propager sur longues distances et d'interagir avec les défauts types des structures considérées. La propagation des ondes de Lamb étant en général multimode, il apparait que la possibilité de sélectionner les modes générés est un aspect important du problème. Or, la génération par transducteurs miniatures ne permet pas cette sélection de façon triviale. Aussi, une technique de modélisation adaptée à ce type de système a-t-elle été développée. Cette technique, exploitant une approche couplée méthode des éléments finis - développement en modes normaux, permet de prévoir les ondes de Lamb générées, en fonction des paramètres du transducteur et de la plaque. En plus de validations numériques, les résultats expérimentaux préliminaires ont permis de vérifier la faisabilité technologique de ce type de système, et de valider en partie cette modélisation. Des exemples pratiques d'application de la méthode pour les cas du transducteur mono- et multi-élément en surface, ainsi que mono-élément inséré sont également présentés.
Author: Emmanuel Moulin
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Pages : 306
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Les matériaux composites, utilisés abondamment en aéronautique, offrent des avantages certains et bien connus (faible masse volumique, bonnes propriétés mécaniques). Ils ont cependant le gros défaut d'être très sensibles aux impacts et sont susceptibles de subir des dégradations critiques du fait de leur environnement hostile. Le contrôle-santé de ces matériaux est donc d'une importance capitale. Les politiques actuelles de maintenance aéronautique imposent des contrôles réguliers qui immobilisent périodiquement les avions pendant de longues périodes. L’objectif final des recherches effectuées dans le cadre de cette thèse est donc de remplacer à terme ces périodes d'inspection par des contrôles permanents des matériaux en cours de fonctionnement normal. La solution proposée est l'utilisation de transducteurs piézoélectriques intégrés (collés en surface ou insérés). Les ondes ultrasonores générées de cette manière, dites ondes de Lamb, sont capables de se propager sur longues distances et d'interagir avec les défauts types des structures considérées. La propagation des ondes de Lamb étant en général multimode, il apparait que la possibilité de sélectionner les modes générés est un aspect important du problème. Or, la génération par transducteurs miniatures ne permet pas cette sélection de façon triviale. Aussi, une technique de modélisation adaptée à ce type de système a-t-elle été développée. Cette technique, exploitant une approche couplée méthode des éléments finis - développement en modes normaux, permet de prévoir les ondes de Lamb générées, en fonction des paramètres du transducteur et de la plaque. En plus de validations numériques, les résultats expérimentaux préliminaires ont permis de vérifier la faisabilité technologique de ce type de système, et de valider en partie cette modélisation. Des exemples pratiques d'application de la méthode pour les cas du transducteur mono- et multi-élément en surface, ainsi que mono-élément inséré sont également présentés.
Author: Laurent Duquenne
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Languages : fr
Pages : 288
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Book Description
Depuis plusieurs années, des recherches sont entreprises pour intégrer un système de contrôle non destructif au cœur des structures avec l'objectif de faciliter des surveillances régulières. Ce système de "contrôle santé intégré" permettrait de détecter les composants demandant des réparations. La technique envisagée est l'utilisation des ondes de Lamb avec des transducteurs piézoélectriques intégrés qui ont la particularité de pouvoir émettre ou réceptionner ces ondes. Néanmoins, la maîtrise de la génération des ondes par ces transducteurs est encore mal assurée. Le but de cette thèse est alors de développer une méthode d'estimation de la génération transitoire d'ondes de Lamb. L'avantage de la méthode hybride éléments finis/développement en mode normaux est le calcul direct de la contribution de chaque mode. En outre, la réception par des transducteurs intégrés a aussi été étudié. Les résultats ont été confrontés avec succès aux résultats expérimentaux obtenus.
Author: Mustapha Baouahi
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Languages : fr
Pages : 308
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Book Description
Le secteur aéronautique s’est investi fortement dans le développement d’un système de contrôle-santé intégré. Celui-ci vise à réaliser une surveillance permanente et en temps réel de l’état de santé d’une structure sans l’immobilisation de l’appareil. L’une des techniques prometteuses pour effectuer ce contrôle est basée sur l’utilisation de transducteurs piézoélectriques miniatures intégrés aux matériaux. Ces transducteurs vont alors générer les ondes de plaques appelées aussi les ondes de Lamb. Les recherches effectuées dans cette thèse sont consacrées principalement à etudier le phénomène physique de la propagation des ondes de Lamb en trois dimensions. A cet effet, et dans un premier temps, la directivité des transducteurs piézoélectriques générant ces ondes ultrasonores a été prédite. Ensuite, en utilisant la technique de multi – éléments en émission, le champ ultrasonore est focalisé vers une direction choisie. Dans un deuxième temps, un modèle approché nommé Pseudo-3D a été développé pour avoir l’amplitude du champ ultrasonore en 3D. Ainsi, en utilisant la méthode hybride basée sur l’approche couplée de la MEF et du modèle Pseudo-3D, nous avons évalué l’amplitude du champ acoustique dû à un transducteur piézoélectrique. Cette amplitude est ensuite comparée aux résultats obtenus à l’aide d’une modélisation par éléments finis en 3D. Une bonne concordance est observée. Enfin, une étude expérimentale est réalisée afin de valider les résultats numériques
Author: Faysal El Youbi
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Languages : fr
Pages : 280
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Book Description
Ce travail concerne d'une part, l'étude d'un système de Contrôle Santé Intégré (CSI) basé sur la génération et la réception d'ondes de Lamb par des transducteurs multiéléments, et d'autre part, le développement d'un outil de traitement de signal capable d'identifier les modes de Lamb présents et d'étudier leurs sensibilités à la présence de défauts. Pour accomplir cette tâche, une relation théorique entre la transformée de Fourier à fenêtre glissante (STFT) et la Transformée de Fourier à 2 dimensions (TF2D) a été démontrée. La comparaison des amplitudes obtenues a été rendue possible par l'application de ces deux techniques de traitement de signal. Ceci a permis premièrement, d'améliorer l'identification des modes de Lamb présents et deuxièmement, de constater la présence de modes parasites. Par ailleurs, la Modélisation Eléments Finis (MEF) du système a révélé que les éléments piézoélectriques des transducteurs étaient à l'origine de ces modes parasites. Afin d'éliminer ces parasites, la solution proposée a été de réduire les épaisseurs des éléments. De plus, cette étude a montré que le transducteur en réception pouvait être amélioré en développant un transducteur segmenté. Une fois ce système optimisé, un défaut de type trou a été introduit dans la plaque afin d'étudier la sensibilité des modes à sa présence et à sa taille. Les signaux reçus ont ensuite été traités. Les résultats obtenus ont permis de tester la sensibilité des modes vis-à-vis la taille de ce trou. Ils démontrent donc clairement l'utilité du système développé pour le CSI de structures
Author: THIERRY.. LAURENT
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Languages : fr
Pages : 230
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Book Description
DES ONDES SE PROPAGEANT DANS DES PLAQUES MINCES, DITES ONDES DE LAMB, SONT ETUDIEES EN VUE D'APPLICATION DANS LE DOMAINE DES MICROCAPTEURS. PARMI CES ONDES, CELLE CORRESPONDANT AU MODE DE FLEXION (OU MODE DE LAMB ANTISYMETRIQUE D'ORDRE 0 (A#0)) EST PARTICULIEREMENT INTERESSANTE CAR ELLE POSSEDE UNE GRANDE SENSIBILITE MASSIQUE ET PEUT FONCTIONNER EN MILIEU LIQUIDE SANS PERTE. NOUS NOUS SOMMES INTERESSE A L'EXCITATION PIEZO-ELECTRIQUE DE CES ONDES. CECI A DEBOUCHE SUR UNE METHODE POUR OPTIMISER LE PROFIL DE CHAMP DU SYSTEME EXCITATEUR POUR GENERER UN MODE PARTICULIER. UNE CONFIRMATION EXPERIMENTALE A ETE EFFECTUEE SUR DES PLAQUES MINCES DE QUARTZ. A PARTIR DE CETTE ETUDE, NOUS AVONS REALISE DES DISPOSITIFS UTILISANT UNE COUCHE MINCE PIEZOELECTRIQUE SOIT DE NITRURE D'ALUMINIUM (ALN), SOIT DE D'OXYDE DE ZINC (ZNO) SUR UNE MEMBRANE EN SILICIUM. L'UTILISATION DE L'ALN PARAIT ETRE UN CHOIX NOVATEUR SUR CE TYPE DE STRUCTURE, POUVANT PERMETTRE D'OBTENIR UNE COMPENSATION EN TEMPERATURE DE L'ALN PAR LE SILICIUM ET DONC DE REALISER UN DISPOSITIF UTILISABLE PRATIQUEMENT. DE PLUS, UN NOUVEAU PRINCIPE DIT RESONNANT A MODES PROPRES DE PLAQUE (PAR OPPOSITION AU SYSTEME CLASSIQUE LIGNE A RETARD) A ETE DEVELOPPE. L'UTILISATION D'UNE SONDE OPTIQUE INTERFEROMETRIQUE A PERMIS DE VISUALISER LA VIBRATION DE LA MEMBRANE ET D'EXTRAIRE DES INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES AUX MESURES ELECTRIQUES EN TRANSMISSION ENTRE LE TRANSDUCTEUR EMETTEUR ET LE RECEPTEUR. LE TAUX D'ONDES STATIONNAIRES DES DIFFERENTS DISPOSITIFS A ETE EVALUE A PARTIR DES IMAGES REALISEES. LES DISPOSITIFS REALISES DEVRAIENT TROUVER DES APPLICATIONS DANS LE DOMAINE DES CAPTEURS BIOCHIMIQUES.
Author: Franck Teston
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Languages : fr
Pages : 172
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Book Description
Ce travail de thèse est consacré à l'étude des ondes transverses horizontales sur des substrats de quartz, et les ondes de Lamb sur des céramiques et composites piézoélectriques. Ces ondes sont excitées et détectées au moyen de transducteurs à peignes interdigités, déposés à la surface d'un substrat piézoélectrique. Les applications de ces dispositifs concernent la caractérisation des propriétés viscoélastiques de liquides et polymères. En premier lieu, une méthode basée sur le concept de permittivité effective pour modéliser les fréquences propres de vibration d 'une plaque piézoélectrique en fonction des conditions aux limites électriques a été développée. Elle a été étendue au cas d 'une plaque chargée par des milieux viscoélastiques en prenant en compte les modifications des conditions aux limites mécaniques et électriques à chaque interface. Cela a permis de proposer un modèle général décrivant les interactions entre une onde acoustique se propageant dans une plaque et un film élastique, un liquide visqueux ou un matériau viscoélastique. En second lieu, des études expérimentales sont présentées. La première étape de ce travail a consisté en la réalisation de dispositifs à ondes transverses fonctionnant autour d 'une fréquence de 20 MHz sur des plaques de quartz, et en la réalisation d 'une cellule de mesure pour des applications en phase liquide. La sensibilité à la masse des capteurs a été mesurée par une technique d 'électrodéposition. Ces résultats ont été confrontés à nos calculs théoriques et à ceux de modèles existants (méthode variationnelle et méthode de perturbations): ils ont permis de valider et de confirmer l 'intérêt de notre modèle. Nous avons ensuite utilisé ces dispositifs pour réaliser des mesures de viscosité sur des mélanges aqueux de glycérol. De nouveau, notre modèle s'est avéré le plus précis pour modéliser le couplage visqueux à l'interface substrat de quartz et solutions aqueuses de glycérol. Les résultats obtenus nous ont permis de déterminer le module de cisaillement instantané du glycérol. Enfln, ces dispositifs ont été .utilisés pour le suivi de réticulation de films polymères. A partir d'un ajustement entre les données expérimentales et les résultats théoriques, le module de cisaillement complexe (G' et G") a pu ainsi être déduit et suivi au cours du processus de réticulation. La dernière partie de notre travail a éfé consacrée à l 'étude et la caractérisation des ondes de Lamb sur substrats céramiques et composites. piézoélectriques. Dans le cas des céramiques, les courbes de dispersion expérimentales sont en bon accord avec les courbes théoriques. Toutefois, ils montrent que ces matériaux ne présentent pas d 'avantages pour des applications en phase liquide. A l 'opposé, l'étude aussi bien théorique qu 'expérimentale réalisée sur les composites piézoélectriques de connectivité 1-3 montre 1 'intérêt et l 'originalité de leur utilisation pour la réalisation de capteurs en phase liquide, grâce au fort coefficient de couplage et à la faible atténuation du premier mode de Lamb symétrique, S0, mode jusqu 'ici très peu étudié.
Author: Luciano Scandelari
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Au cours de ces travaux, nous avons effectué une étude théorique et expérimentale d'un dispositif à base de P(VF2-VF3) destiné à la génération des ondes de Lamb afin de mesurer des caractéristiques de liquides. L'essentiel de ce travail peut être résumé en trois points : En premier, la présentation d'une structure physique destinée à la génération et à la détection des ondes de Lamb sur des substrats non piézoélectriques, avec pour objectif des applications industrielles, parmi elles la mesure de densité de liquide en continu. Cette structure est constituée de deux lames piézoélectriques identiques d'épaisseur 90μm à base de P(VF2-VF3). Sur chaque lame est gravé un réseau d'électrodes métalliques. Le deuxième point a été la modélisation complète du dispositif, qui comprend la génération, la propagation et la détection de l'onde. Le troisième point a consisté à réaliser un système électronique dédié au contrôle de la génération et de l'acquisition du signal. Son avantage est l'intégration des fonctions génération et acquisition des signaux, ce qui facilite les mesures, et permet de déduire les paramètres de l'onde qui se propage entre les deux transducteurs. La partie logicielle qui pilote cette électronique utilise un algorithme de calcul du temps de vol entre l'onde émise puis détectée par le peigne récepteur. Dans la partie expérimentale, nous avons caractérisé l'influence de la température et de la densité d'un liquide sur les caractéristiques du mode a0 des ondes de Lamb se propageant dans une plaque d'aluminium. Si la vitesse longitudinale dans le liquide en contact avec la plaque est connue, nous pouvons donc utiliser ce dispositif pour mesurer la densité absolue des liquides avec une incertitude d'environ 5%.
Author: LUCIANO.. SCANDELARI
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Languages : fr
Pages : 177
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Book Description
AU COURS DE CES TRAVAUX, NOUS AVONS EFFECTUE UNE ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE D'UN DISPOSITIF A BASE DE P(VF#2VF#3) DESTINE A LA GENERATION DES ONDES DE LAMB AFIN DE MESURER DES CARACTERISTIQUES DE LIQUIDES. L'ESSENTIEL DE CE TRAVAIL PEUT ETRE RESUME EN TROIS POINTS : EN PREMIER, LA PRESENTATION D'UNE STRUCTURE PHYSIQUE DESTINEE A LA GENERATION ET A LA DETECTION DES ONDES DE LAMB SUR DES SUBSTRATS NON PIEZOELECTRIQUES, AVEC POUR OBJECTIF DES APPLICATIONS INDUSTRIELLES, PARMI ELLES LA MESURE DE DENSITE DE LIQUIDE EN CONTINU. CETTE STRUCTURE EST CONSTITUEE DE DEUX LAMES PIEZOELECTRIQUES IDENTIQUES D'EPAISSEUR 90 M A BASE DE P(VF#2VF#3). SUR CHAQUE LAME EST GRAVE UN RESEAU D'ELECTRODES METALLIQUES. LE DEUXIEME POINT A ETE LA MODELISATION COMPLETE DU DISPOSITIF, QUI COMPREND LA GENERATION, LA PROPAGATION ET LA DETECTION DE L'ONDE. LE TROISIEME POINT A CONSISTE A REALISER UN SYSTEME ELECTRONIQUE DEDIE AU CONTROLE DE LA GENERATION ET DE L'ACQUISITION DU SIGNAL. SON AVANTAGE EST L'INTEGRATION DES FONCTIONS GENERATION ET ACQUISITION DES SIGNAUX, CE QUI FACILITE LES MESURES, ET PERMET DE DEDUIRE LES PARAMETRES DE L'ONDE QUI SE PROPAGE ENTRE LES DEUX TRANSDUCTEURS. LA PARTIE LOGICIELLE QUI PILOTE CETTE ELECTRONIQUE UTILISE UN ALGORITHME DE CALCUL DU TEMPS DE VOL ENTRE L'ONDE EMISE PUIS DETECTEE PAR LE PEIGNE RECEPTEUR. DANS LA PARTIE EXPERIMENTALE, NOUS AVONS CARACTERISE L'INFLUENCE DE LA TEMPERATURE ET DE LA DENSITE D'UN LIQUIDE SUR LES CARACTERISTIQUES DU MODE A#0 DES ONDES DE LAMB SE PROPAGEANT DANS UNE PLAQUE D'ALUMINIUM. SI LA VITESSE LONGITUDINALE DANS LE LIQUIDE EN CONTACT AVEC LA PLAQUE EST CONNUE, NOUS POUVONS DONC UTILISER CE DISPOSITIF POUR MESURER LA DENSITE ABSOLUE DES LIQUIDES AVEC UNE INCERTITUDE D'ENVIRON 5%.
Author: Sébastien Grondel
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Languages : fr
Pages : 276
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Book Description
Ce travail est consacré à l'étude et à la mise au point d'un système de surveillance embarqué destiné au contrôle santé de structures aéronautiques. Le système choisi pour réaliser ce « contrôle santé intégré » repose, d'une part, sur l'excitation et la réception d'ondes de Lamb le long de la structure, par l'intermédiaire de transducteurs piézoélectriques fonctionnant en émetteur-récepteur et d'autre part, sur la veille permanente de la structure par ces mêmes transducteurs. L'utilisation d'un tel système s'avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus afin d'optimiser ce type de surveillance. En premier lieu, une parfaite connaissance des caractéristiques des ondes de Lamb générées est nécessaire. Dans ce but, différentes techniques de mesures de vitesse sont utilisées et appliquées avec succès sur des exemples variés comme celui d'une aile d'avion. D'autre part, une série d'essais préliminaires est réalisée sur des plaques métalliques rivetées ainsi que sur des parties d'aile d'avion en composite, afin de s'assurer du bon fonctionnement de ce système sur des structures réelles. Ainsi, des défauts de nature différente (fissures de fatigue, endommagements liés a des impacts basses vitesses) sont initiés dans ces structures puis détectés. Enfin, une technique de modélisation hybride (éléments finis - modes normaux) est utilisée dans le but de concevoir des transducteurs mieux adaptés a la génération des modes de Lamb. Les résultats sont ensuite concrétisés sur une plaque composite de symétrie orthotrope.
