La production d'aluminium par le procédé de Hall-Héroult est influencée, entre autres, par la variation des propriétés de l'anode précuite en carbone. Les propriétés de celles-ci sont plus difficiles à contrôler en raison de la dégradation de la qualité et l'augmentation de la variabilité des propriétés des particules de coke de pétrole utilisées pour fabriquer les anodes en carbone. Actuellement, les propriétés du coke sont mesurées en laboratoire, sur des petits échantillons et sur une base peu fréquente. D'où l'importance de développer une méthode rapide et non destructive qui pourra être intégrée à la chaîne de production d'anodes et qui mesurera en temps réel les propriétés des particules de coke permettant d’ajuster la formulation de la pâte d’anode, telles que la densité apparente et la porosité ouverte des particules de coke. Dans une étude précédente, un montage d'analyse acoustique a été conçu et testé pour estimer la densité et la porosité des particules de coke en utilisant la transformée de Fourier (FFT) pour la décomposition en fréquences des signaux sonores, couplée à des méthodes de régression multivariées pour l'estimation de modèles prédictifs. Cette étude vise à améliorer les résultats de prédiction par l’utilisation de la transformée en ondelettes continue (CWT) et à appliquer la méthode proposée à des mélanges de particules de coke ayant une plus grande plage de variations dans leurs propriétés. Cette méthode de décomposition temps-fréquence permet d’obtenir une signature acoustique plus spécifique des particules de coke de différentes tailles et provenant de plusieurs fournisseurs. Le potentiel de l’approche proposée semble très prometteur en raison de la bonne capacité prédictive de la densité apparente et de la porosité ouverte des particules obtenues jusqu’à présent, sur des échantillons non-mélangés et mélangés provenant de différentes fournisseurs et tamisés en plusieurs fractions de tailles granulométriques. / The production of primary aluminum using the Hall-Héroult process is influenced by the variations in pre-baked carbon anode properties. Controlling their quality is a challenge due to the raw material quality degradation and variability. Petroleum coke is one of the main raw materials used to produce the carbon anodes. Currently, coke properties are measured in laboratory by using small samples and on an infrequent basis. Therefore, it is important to develop a fast and non-destructive sensing method that can be integrated into the anode production line in order to measure in real time coke particle properties allowing to adjust the anode paste formulation, such as the apparent density and open porosity of the coke particles. In a previous study, an experimental set-up based on an acoustic analysis was developed and tested to estimate the density and the porosity of coke particles. Fourier Transform (FFT) was used for frequency decomposition of the acoustic signals, and multivariate regression methods to analyze the FFT signal features and predict coke properties. This study aims at improving the predictive performance of the model by using the Continuous Wavelet Transform (CWT) and apply the proposed technique to mixtures of coke particles having a wider range of properties. This time-frequency decomposition method allows capturing the acoustic signature of coke particles of different sizes obtained from several suppliers. So far, the approach shows promising results for predicting the apparent density and the open porosity of mixed and unmixed coke particles obtained from different suppliers and sieved into several size classes.

L'émission acoustique est un moyen unique d'étude des avalanches de dislocations, à la fois en termes d'énergie, de temps et d'espace. L'émission acoustique mesurée lors d'essais de fluage sur des monocristaux de glace avait révélé une très forte intermittence du processus de déformation plastique, associée à des distributions en loi de puissance de la taille des avalanches. Cette thèse a permis de montrer que cette dynamique critique invariante d'échelle était perturbée dans les polycristaux de glace, où un effet de taille finie non trivial lié à la taille de grain a été mis en évidence. Cette thèse a aussi révélé que la criticalité observée dans les monocristaux de glace se retrouvait au cours de la déformation de monocristaux de Cd, de Zn et de Cu. La température, l'écrouissage par la forêt, le mâclage et le glissement multiple n'ont notamment pas affecté la valeur de l'exposant critique. Ces résultats suggèrent que la plasticité monocristalline pourrait ainsi être gouverner par une dynamique universelle.

Les piles à combustible constituent une alternative aux moteurs thermiques utilisés dans le cadre d’applications transport ou dans le cadre d’applications stationnaires. Cependant, il existe encore aujourd’hui des verrous technologiques limitant leur développement à l’échelle industrielle. Un des verrous importants est la détermination de leur état de santé en temps réel permettant un diagnostic voire un pronostic de leurs dysfonctionnements ou de leur temps de bon fonctionnement. Dans ce travail, deux approches différentes ont été abordées en vue de proposer des outils de diagnostic pour des empilements de taille industrielle : une approche électrochimique et une approche acoustique. Dans un premier temps, un modèle simple de spectroscopie d’impédance électrochimique et un algorithme d’identification des paramètres ont été développés dans l’optique de proposer un outil de diagnostic rapide et facile à implémenter. Dans un second temps, deux méthodes basées sur la propagation des ondes sonores (l’émission acoustique et les acousto-ultrasons) ont été testées et évaluées dans des conditions de fonctionnement optimales et dégradées. / Fuel cells are a promising alternative to classical fossil energy based engines used in transport applications and electro-generators. However, there still exist limitations preventing it to be used at an industrial scale. In particular, the real-time determination of the cell’s state of health, allowing one to establish a diagnosis or a prognosis of the malfunctions and failures In this document, two different approaches are tested in order to propose real-diagnostic tools for industrial scale stacks. First, a simple electrochemical impedance spectroscopy model is developed in order to create a fast and easily embeddable diagnostic tool. Finally, two techniques based on ultrasound propagation (acoustic emission and acousto-ultrasound).are tested and evaluated in optimal and degraded conditions.

Les problématiques de sureté nucléaire passent par l’évaluation des installations existantes et notamment des enceintes de confinement. L’enceinte est un double sarcophage en béton armé. Elle constitue une barrière protégeant à la fois le réacteur d’une agression extérieure mais aussi protégeant l’extérieur d’une éventuelle fuite en cas d’accident. Le bon fonctionnement de l’enceinte est assuré lorsqu’elle remplit ses fonctions de résistante et d’étanchéité. L’évaluation de ces deux fonctions se fait notamment par le suivi de l’état de fissuration de l’enceinte.La fissuration du béton est associée au développement de micro-fissures qui apparaissent lorsque les contraintes locales du matériau sont dépassées. Il résulte de ces micro-fissurations la libération d'énergie qui se propage dans le matériau sous la forme d'ondes mécaniques. La détection de ses ondes permettra de remonter à leur source et de caractériser l’état d’endommagement du matériau.L’émission acoustique (EA) permet, à l’aide d’un réseau de capteurs piézoélectriques placés sur la surface, d’enregistrer les signaux issus de la libération d’énergie mécanique émise par les microfissures au sein du matériau. L’analyse des temps de vol de ces ondes permet entre autre de localiser les micro-fissurations au sein du matériau. Cette particularité de l’EA est donc parmi les techniques passives d’inspection pour le suivi de l’endommagement et de la fissuration du béton.Cependant, la précision des outils de localisation existants est fortement dépendante des méthodes d’analyse des signaux d’EA enregistrés. Cette dépendance constitue un verrou important qu’il est nécessaire de lever afin d’assurer le suivi spatial de la propagation de fissures le plus fiable possible. Par ailleurs l’identification des mécanismes sources d’EA est un enjeu crucial car il permet de caractériser les différents phénomènes qui interviennent lors de la propagation de fissure.Sur la base d’essais de fissuration et d’endommagement thermique du béton nous avons montré l’effet des stratégies de localisation sur la représentation de l’endommagement. A partir de ces résultats nous avons montré qu’une analyse spatiale basée sur la densité d’événements acoustique et l’énergie libérée permettait de suivre la propagation de l’endommagement thermique mais aussi de la fissuration dans les éprouvettes. Une analyse originale des signaux par inter-corrélation est proposée afin de regrouper les signaux en classes. Enfin les méthodes développées ont été appliquées pendant les essais d’ouverture et de refermeture d’une fissure sur la souflerie de l’Onera ainsi que sur la maquette « Vercors » d’EDF qui représente une enceinte de confinement de centrale nucléaire à l’échelle 1/3. / Nuclear safety issues involve the evaluation of existing installations, and in particular of containment systems. The enclosure is a double sarcophagus of reinforced concrete. It constitutes a protective barrier to both the reactor of an external aggression but also an agent of protection of the exterior of a possible leak in case of accident. The correct functioning of the enclosure is ensured in full filling of the functions of resistance and sealing. The evaluation of these two functions in particular for monitoring the state of cracking of the enclosure.The cracking of the concrete is associated with the development of micro-cracks which appear when the local stresses of the material are exceeded. As a result of these micro-cracks, the release of energy is propagated in the material in the form of mechanical waves. This phenomenon is called "acoustic emission".Acoustic emission (EA) is also the name of the technique used to directly measure the manifestation of these micro-cracks. The EA consists of recording, by means of a network of piezoelectric sensors placed on the surface, the ultrasonic waves emitted by the micro-cracks within the material. This particularity of the AE places it at the forefront of inspection techniques for monitoring the damage and cracking of concrete.The accuracy of the existing location tools is highly dependent on the methods of analyzing the recorded EA signals. This dependence constitutes an important lock that must be lifted in order to ensure the spatial follow-up of the most reliable crack propagation possible. Moreover, the identification of the source mechanisms of EA is a crucial stake because it makes it possible to characterize the different phenomena that intervene during the propagation of crack.On the basis of tests of cracking and thermal damage of the concrete we shown the impact of the strategies of localization on the representation of the damage. Based on our results, we proposed a spatial analysis based on the acoustic event density and the released energy allowing to follow the propagation of the thermal damage also of the cracking in the specimens. An original analysis of the signals by cross-correlation is proposed in order to group the signals into classes. Finally, the methods developed were applied during crack opening and referencing trials on the Onera blower and on a 1/3 scale model of a nuclear power plant confinement enclosure called “Vercors”.

Le contrôle non-destructif (CND) par émission acoustique (EA) permet la détection de la création ou de l’évolution de défauts. Il repose sur l’utilisation d’un ou plusieurs capteurs pouvant être installés de façon permanente à l’écoute d’événements pouvant se dérouler au sein de structures de grandes dimensions. Dans le cadre du développement d’un simulateur de CND/EA, cette thèse s’intéresse à la modélisation de la mesure par un capteur d’EA d’un champ d’ondes élastiques quelconque. Une formulation exacte, puis une formulation approchée qui en dérive, sont obtenues à partir du principe de réciprocité électromécanique, de la réponse d’un capteur d’EA à une onde. On démontre que le calcul précis de ces réponses ne peut pas être effectué sous les hypothèses simplificatrices couramment faites conduisant naturellement à un modèle unidimensionnel. Au contraire, on démontre que pour les capteurs courants, du fait de leur conception visant à les rendre sensibles sur une large gamme de fréquences, les modes complexes de vibration de l’élément piézoélectrique et la propagation des ondes dans le boîtier du capteur influencent fondamentalement sa réponse. Un modèle éléments finis de capteur est proposé, validé expérimentalement et utilisé pour mener à bien des études paramétriques utiles à l’opérateur pour choisir un capteur, ou au fabriquant de capteur pour en optimiser la conception. Une représentation de la sensibilité des capteurs d’EA est proposée beaucoup plus complète que ce qui est généralement connu des capteurs. Une stratégie de simulation reposant sur la constitution d’une base de données de ces sensibilités est développée. / Nondestructive testing (NDT) by acoustic emission (AE) allows the detection of the formation or the evolution of defects. It relies on the use of one or several sensors that can be permanently attached to a large structure to listen to AE events that can happen. In the framework of the development of a tool for simulating NDT/AE, this thesis aims at modeling the measurement of arbitrary elastic wave field by AE sensor. An exact formulation, then an approximate one which derives from it, are obtained from the electromechanical reciprocity principle, of the response of an AE sensor to elastic waves. It is demonstrated that the accurate calculation of these responses cannot be made under the usual simplifying hypotheses which lead naturally to one-dimensional model. Rather the opposite, it is demonstrated that for standard sensors conceived to be highly sensitive over a large bandwidth, complex vibration modes together with the sensor case influence fundamentally their response. A finite element model is proposed, experimentally validated and used to conduct parametric studies helpful for an operator choosing a sensor, for a manufacturer to optimally conceive sensors. A representation of AE sensor sensitivity is proposed, far more complete than what is usually known about sensors. A simulation strategy is developed relying on the formation of a database of sensor sensitivities.

Cette étude, basée sur la surveillance des ondes d'émission acoustique (E.A.), présente le développement d'une approche de prédiction de l'initiation de la délamination de pièces composites soumises à des chargements statiques et en fatigue. La surveillance des ondes d'E.A. fait parti d'un nombre restreint de méthodes pouvant détecter, en continu, l'apparition et la croissance de dommages dans les matériaux composites. L'approche est comparée à des méthodes conventionnelles ainsi qu'à une modélisation numérique pour des composites à fibre de carbone unidirectionnels et tissés, sur une gamme de rapports de mode mixte. Le présent mémoire met en lumière les différentes étapes abordées durant l'étude. L'utilisation des matériaux composites est mise en contexte au premier chapitre. La complexité des matériaux composites ainsi que la nécessité de modèles de prédiction fiables sont soulignées. Le deuxième chapitre contient une revue de la littérature et présente les outils disponibles pour analyser le délaminage et bâtir un modèle prédictif de sa propagation. Les sujets traités sont la délamination dans un contexte de mécanique de la rupture, la modélisation numérique d'une propagation de fissure, l'approche du monitorage par émission acoustique puis l'analyse fractographiques des surfaces de rupture. Les résultats des essais mécaniques et de la modélisation sont présentés sous forme d'article dans le troisième chapitre. Des essais statiques et en fatigue ont permis de calculer le taux de restitution d'énergie de déformation à l'initiation de la délamination selon des méthodes classiques pour ensuite les comparer à une méthode développée, basée sur le suivi des ondes d'émission acoustique. Une série d'essais de propagation de la délamination en fatigue ont permis d'observer des corrélations entre les émissions acoustiques, la longueur de la délamination, la vitesse de croissance des fissures et la sévérité du chargement. Finalement, une méthodologie de reconnaissance des formes non supervisée est présentée afin de discriminer les signaux d'E.A. d'amorçage et de propagation de fissure du bruit associé à la fatigue.

Ce projet de maîtrise met en avant une étude du suivi et de la prédiction de l’endommagement dans des structures composites à fibres de carbone tissées soumises à des efforts de fatigue tension-tension par le biais de deux méthodes de détection non-destructives que sont l’émission acoustique (AE) et la corrélation d’image (DIC). L’émission acoustique se présente comme une méthode unique permettant le suivi en continu des phénomènes microscopiques d’endommagement apparaissant dans le matériau, alors que la corrélation d’image permet un accès en temps réel au champ de déformation et par conséquent aux effets macroscopiques de cet endommagement sur les propriétés du matériau. Le croisement des résultats obtenus à partir de ces deux méthodes améliore la fiabilité et la validité des hypothèses réalisées. L’approche utilisée permet d’établir des courbes de durée de vie du matériau prenant en compte la propagation du défaut artificiel intégré et propose un modèle d’endommagement dans la lignée des modèles phénoménologiques existants. Dans un premier temps, le contexte de l’étude est introduit ainsi que les objectifs détaillés de ce projet. L’importance d’établir des modèles de prédiction de durée de vie en fatigue pour les structures composites est mise en avant. La deuxième partie de ce rapport a pour but de réaliser un état de l’art exhaustif sur les différents domaines touchés par ce projet de recherche. On y retrouve une analyse des mécanismes d’endommagement se développant dans les matériaux composites unidirectionnels et tissés ainsi qu’une présentation des différentes méthodes de modélisation de l’endommagement ayant été développées. Les approches par éléments finis permettant de modéliser l’initiation et la propagation de fissures macroscopiques dans les composites sont ensuite présentées, avant de finalement proposer une revue du domaine de monitorage de l’état de santé des structures, et plus particulièrement l’émission acoustique et la corrélation d’image. Ensuite, le récapitulatif des travaux de recherche réalisés est illustré sous forme d’article dans la troisième partie. Des essais statiques de traction ont d’abord permis d’établir les gammes de charge à utiliser pour les essais de fatigue. Ces mêmes essais de fatigue tension-tension ont été menés à différents chargements à l’aide d’un suivi en continu par émission acoustique et corrélation d’image afin de mettre en évidence l’accumulation des mécanismes d’endommagement. Des courbes de durée de vie représentant l’apparition de ces différents mécanismes d’endommagement ainsi que la rupture totale ont pu être proposées. L’observation du paramètre mécanique de rigidité a finalement permis d’établir une approche de modélisation de l’endommagement par le biais d’une variable d’endommagement dans le lignée des modèles phénoménologiques existants.

Les piles à combustible constituent une alternative aux moteurs thermiques utilisés dans le cadre d'applications transport ou dans le cadre d'applications stationnaires. Cependant, il existe encore aujourd'hui des verrous technologiques limitant leur développement à l'échelle industrielle. Un des verrous importants est la détermination de leur état de santé en temps réel permettant un diagnostic voire un pronostic de leurs dysfonctionnements ou de leur temps de bon fonctionnement. Dans ce travail, deux approches différentes ont été abordées en vue de proposer des outils de diagnostic pour des empilements de taille industrielle : une approche électrochimique et une approche acoustique. Dans un premier temps, un modèle simple de spectroscopie d'impédance électrochimique et un algorithme d'identification des paramètres ont été développés dans l'optique de proposer un outil de diagnostic rapide et facile à implémenter. Dans un second temps, deux méthodes basées sur la propagation des ondes sonores (l'émission acoustique et les acousto-ultrasons) ont été testées et évaluées dans des conditions de fonctionnement optimales et dégradées.

Certains procédés d'électrolyse industriels, comme ceux de production de fluor et d'aluminium, génèrent du gaz sur des électrodes peu mouillées par l'électrolyte. Dans ces procédés, la convection est en grande partie induite par le mouvement des bulles. Le temps de résidence du gaz n'étant pas maitrisé, la modélisation de ces électrolyses se heurte à de nombreux défis. Ce travail propose un état des connaissances nécessaires à la modélisation de ce type de cellules. Après avoir mis au point une méthode permettant de réaliser des électrodes fortement hydrophobes, nous avons étudié le dégagement gazeux que celles-ci produisent. Nous avons observé que les bulles qui s'y forment croissent par coalescence et ce phénomène affecte la vitesse de croissance et la taille au détachement. Par la suite, nous avons démontré qu'en localisant le dépôt hydrophobe il est possible d'obtenir une population de bulles dont le nombre, la taille et la position sont maitrisés. Nous avons constaté que l'émission acoustique est un outil efficace pour mesurer, sans observation visuelle, la taille et la vitesse d'ascension des bulles produites par électrolyse. La fréquence la plus énergétique du spectre des salves d'émission acoustique des cellules d'électrolyse produisant du gaz permet, quand la fraction volumique de gaz est faible, de mesurer la taille de toutes les bulles dans la cellule. Quand les bulles sont nombreuses et denses, cette même fréquence est liée aux dimensions de la cellule, à la densité de courant, à la taille des bulles et à la fraction volumique en gaz dans le panache. Nous avons proposé une explication à cette observation basée sur l'hypothèse d'un couplage acoustique des bulles. En l'absence d'agitation vigoureuse, l'activité acoustique d'une cellule d'électrolyse produisant des bulles traduit l'importance du transport de matière aux électrodes. La mesure de la répartition de la densité de courant par la méthode des électrodes segmentées dans une cellule en convection libre a été réalisée. Cette étude a été menée dans le but de tester un outil de simulation numérique des cellules d'électrolyse produisant du gaz. L'effet de la mouillabilité de l'électrode sur la répartition du courant a été évalué.

Parmi les technologies disponibles de production d’électricité décarbonée et compétitive, les centrales solaires à concentration ponctuelle permettent d’atteindre les meilleurs rendements. Le développement commercial est actuellement orienté vers les tours à récepteur tubulaire ou surfacique. L’enjeu majeur consiste à faire fonctionner ces récepteurs à des températures supérieures à 800°C de manière cyclique, ce qui nécessite l’emploi de matériaux à hautes performances stables dans le temps. Les alliages ou céramiques réfractaires présentent des propriétés adaptées, mais l’évolution de leur endommagement est encore mal connue. Afin d’étudier ce comportement, un dispositif expérimental basé sur la technique d’émission acoustique a été développé. Cette technique permet d’estimer in situ la sévérité, le type, et la position d’un endommagement. Une méthode de test originale a été élaborée de manière à identifier une stratégie expérimentale de vieillissement pertinente. / Among the available technologies for carbon-free and competitive electricity production, solar tower power plants can achieve the best efficiency. Commercial development is currently focused on tubular or surface receivers, as they allow a low-intricacy design. The major challenge is to cyclically operate these receivers at temperatures above 800°C, which involves the use of durable and high performance materials. Refractory alloys and ceramics have adequate properties, but their damage evolution under these specific conditions is still poorly understood. An innovative set up based on the acoustic emission technique has been designed and realized with a view to scrutinize these materials in situ behavior. Indeed, acoustic emission enables to estimate the severity, the type, and the position of a damage appearing under concentrated solar irradiation tests. Besides, an original numerical method has been developed to identify the suitable test conditions for relevant experimental aging.