Application de l'holographie acoustique transitoire au contrôle non destructif de structures

Les entreprises du secteur des transports se doivent de garantir la sécurité et la fiabilité des équipements qu'ils proposent. Ce double enjeu les pousse à investir pour développer des méthodes facilitant la maintenance de leurs appareils. En particulier, de nombreuses méthodes de contrôle non destructif sont développées pour vérifier l'intégrité de certaines pièces structurales tout en réduisant les coûts de maintenance grâce à une maximisation de la qualité du diagnostic et à une minimisation du temps d'immobilisation des appareils. Parmi ces méthodes, un certain nombre s'appuie sur le comportement dynamique des structures à inspecter pour détecter des défauts. Dans ce mémoire, cette approche est adoptée pour développer une nouvelle méthode d'inspection. L'originalité de cette méthode tient au fait qu'elle s'appuie sur la mesure du comportement vibratoire par holographie acoustique en champ proche. Cette méthode de mesure permet d'estimer le champ vibratoire d'une pièce à partir du champ acoustique qu'elle rayonne. L'intérêt d'utiliser une telle technique réside dans le fait que c'est une méthode de mesure sans contact, ce qui évite toute détérioration ou contamination de la pièce par des instruments de mesure. De plus, l'antenne de microphones n'interfère pas avec la structure, contrairement aux accéléromètres, dont la masse peut perturber le système. Enfin, l'holographie acoustique nécessite un équipement relativement peu dispendieux, et permet d'effectuer des mesures sur des grandes zones, tout en évitant un scan de la structure long et fastidieux, comme pour les méthodes par vibrométrie laser. En définitive, nous avons cherché à développer une méthode de contrôle non destructif se basant uniquement sur la mesure du champ de pression rayonné par la pièce inspectée. Il s'agit ici d'apporter une preuve de concept pour notre approche, ce qui justifie le fait que l'on s'intéresse au cas très simplifié des plaques. Malgré cela, chaque choix dans cette maîtrise a été effectué en ayant en tête les développements futurs qui permettront de traiter des structures plus complexes. Il a de plus été supposé que la meilleure approche pour mener à bien ce projet était de travailler dans le domaine temporel, en régime transitoire. En effet, les méthodes fréquentielles permettent un diagnostic à un nombre de fréquences limité, tandis que les méthodes transitoires permettent d'analyser la structure sur une large bande, tout en ayant des informations sur la causalité des évènements : si une image vaut mille mots, une vidéo vaut un million de mots, car la dimension temporelle regorge d'informations sur la structure. L'approche proposée pour répondre aux objectifs de ce mémoire s'articule en trois volets. Le premier s'attache à développer une méthode d'holographie acoustique transitoire adaptée à notre problème. L'originalité de cette partie vient du fait que l'on applique une déconvolution linéaire entre le signal mesuré et la fonction de Green qui relie la vitesse normale de la plaque à la pression sur le plan de mesure. De plus, la fonction de Green est échantillonnée dans le domaine spatial et temporel pour éviter les effets de fuite spectrale et de recouvrement. Il est montré que cette technique est plus adaptée aux signaux transitoires que les autres méthodes de la littérature et qu'elle permet une reconstruction de la source avec un taux d'erreur inférieur à 20% pour des distances source-plan de mesure jusqu'à 5 cm, et des rapports signal sur bruit réalistes (20 dB). L'applicabilité de cette méthode est démontrée expérimentalement grâce à un banc d'essai comportant une plaque de plexiglass excitée par un impacteur métallique.

Abstract

Companies of the transportation industry need to ensure both safety and reliability of their devices. Therefore, in the last 30 years, a significant research endeavor has led to a set of methods allowing efficient maintenance. Non-destructive testing methods have been developed to check the structural integrity of important pieces while lowering maintenance cost, and improving diagnostic accuracy. Among those methods, some rely on the analysis of their dynamic behavior to detect defects in structures. In this master thesis, a novel approach for non-destructive testing based on this idea is developed. Unlike other state-of-the-art techniques, this method is based on full-field vibration measurement using nearfield acoustical holography. This technique allows estimating the vibration field of some structure from the measurement of acoustic pressure in its near field performed with a microphone array. The advantage of using such measurement method is that it is contactless; therefore, contamination or damage of the structure by measurement hardware is avoided. Moreover, microphone arrays do not modify the structure, unlike accelerometers for example, and are affordable compared to other optical methods, such as laser vibrometers. The aim of this study is to develop a non-destructive testing method simply based on the measurement of the pressure field radiated by the piece under study. This master thesis aims at providing a proof of concept for the proposed methodology. Thus, the present document focuses on plates, while keeping in mind future developments to study more complex structures. In addition, this whole study focuses on transient regime and exploit time-domain data. Unlike frequency-domain methods that rely on the study of a small set of frequencies, time-domain data obtained from impact-like excitations allows inspecting the structure over a wide spectrum while having access to causality. To sum up, considering that an image is worth a thousand words, a video should be worth a million words, since time dimension gives us access to a lot more information about the structure. The proposed approach is given in three parts. First, a formalism for nearfield acoustical holography suitable for this particular application is developed. Here, the original contribution lies in the linear deconvolution applied to all three dimensions (time and space) between the measured pressure field and the Green's function expressing the relation between transverse velocity on the reconstruction plane and pressure on the measurement plane. Furthermore, the Green's function is sampled directly in time and space domains, which avoids spectral leakage and wrap-around errors. This method is shown to perform better than other state-of-the-art methods and allows reconstruction of the source with an error rate lower than 20% for back-propagation distances up to 5 cm and typical signal-to-noise ratios (20 dB). The practical applicability of this method is shown on a test bench with a plexiglass plate impacted by a steel rod. The second part of this thesis is dedicated to the fault detection algorithm in itself. Here, the vibration field is assumed to be correctly measured, and is used to compute the residue of the equation, which is to be analysed to track defects. This Force Analysis Technique was first developed for harmonic excitations, but was never used to handle time-domain data. It is therefore extended to process transient data, and its implementation is compatible with both isotropic and laminated materials. It is shown that this technique allows detecting simple defects, such as added masses bonded to the plate, or inclusions. The limitations of this approach are highlighted to justify the third part of this thesis: it is necessary to distinguish between the effect of noise on the residue and the contribution of a defect. This is indeed of critical importance, especially when input data is prone to errors, such as vibration fields obtained from nearfield acoustical holography.