This research investigates the modeling of randomly distributed surface-breaking microcracks and their effects on higher harmonic generation in Rayleigh surface waves. The modeling is based on micromechanical considerations of rough surface contact. The nonlinear behavior of a single microcrack is described by a hyperelastic effective stress-strain relationship. Finite element simulations of nonlinear wave propagation in a solid with distributed microcracks are performed. The evolution of fundamental and second harmonic amplitudes along the propagation distance is studied and the acoustic nonlinearity parameter is calculated. The results show that the nonlinearity parameter increases with crack density and root mean square roughness of the crack faces. While, for a dilute concentration of microcracks, the increase in acoustic nonlinearity is proportional to the crack density, this is not valid for higher crack densities, as the microcracks start to interact. Finally, it is shown that odd higher harmonic generation in Rayleigh surface waves due to sliding crack faces introduces a friction nonlinearity.

La détection des fissures fermées constitue un verrou important pour les méthodes conventionnelles de CND. En revanche, les méthodes basées sur le principe du contact acoustique non-linéaire (CAN) représentent un outil potentiel capable de détecter et éventuellement de caractériser les fissures fermées. Dans ce travail de thèse, le CAN et la génération du second harmonique sont au centre de l’attention dans le but d’analyser les mécanismes mis en jeu en vue de la détection et la caractérisation de fissures fermées. Notre approche repose sur une analyse numérique de l’interaction entre une interface de contact et une onde longitudinale et une analyse expérimentale du CAN sur une éprouvette contenant une fissure de fatigue.Le CAN est modélisé par une loi de contact unilatéral avec (ou sans) frottement de Coulomb, en considérant l’interaction non-linéaire entre une onde longitudinale et une interface de contact, d’abord dans un milieu unidimensionnel en utilisant la méthode des différences finies, puis dans un milieu bidimensionnel par la méthode des Eléments Finis. Cette analyse a permis d’expliquer la génération des harmoniques supérieurs et de mettre en évidence les principaux paramètres gouvernant le CAN dans un cas unidimensionnel (onde plane/interface de contact plane), et aussi dans un cas bidimensionnel plus complexe considérant une onde non-plane et des morphologies d’interfaces complexes. Afin de valider les résultats numériques et d’apprécier l’applicabilité de la méthode dans un cas réel, des mesures expérimentales du second harmonique dans le cas d’une fissure de fatigue réelle sont effectuées. Les résultats de cette étude sont en accord avec les tendances numériques obtenues.Enfin, dans le but d’exploiter au maximum la méthode de génération d’harmonique, nous proposons également une stratégie numérique/expérimentale de reconstruction des sources acoustiques, basée sur une méthode d’holographie acoustique, permettant ainsi d’accéder à la distribution des sources de génération du second harmonique au niveau de la fissure. Ces résultats sont prometteurs en vue de la caractérisation des fissures fermées. / The detection of closed cracks constitutes an important obstacle for conventional nondestructiftechnics (NDT). However, nonlinear methods based on contact acoustic nonlinearity (CAN)represent a potential tool for the detection of these defects. In this work, a detailed analysis of thecontact acoustic nonlinearity is proposed in view of the characterization of closed crack.Our approach is based on an association between a numerical analysis of the nonlinear interactionbetween a longitudinal wave and a contact interface, as well as an experimental study of the CAN inthe case of a real fatigue crack.Numerically, the CAN is modeled by using a unilateral contact law with (or without) Coulombfriction. The nonlinear interaction between a longitudinal wave and a contact interface is considered,first in a one-dimensional medium by using the Finite Differences method, and then in a twodimensionalmedium by using the Finite Elements method. This analysis explains the generation ofsuper-harmonics and defines the main physical parameters controlling the CAN in a one-dimensionalcase (plane wave / plane contact interface) and also in a more complex two-dimensional caseconsidering a non-planar wave and complex interface morphologies. In order to validate the numericalresults and to test the applicability of the method in a real case, experimental measurements of thesecond harmonic in the case of a real fatigue crack are realized. The results of this study are inagreement with the numerical tendencies obtained.Finally, in order to exploit well the harmonic generation method, a numerical / experimentalstrategy based on acoustic holography principal for the reconstruction of acoustic sources is proposed.This strategy gives access to the distribution of second harmonic sources at the crack. The results ofthis study are promising in view of the characterization of closed cracks.

Les effets non-linéaires produits par l'interaction entre une onde et une fissure fermée peuvent être un moyen potentiel pour la détection de ces fissures. Ce travail porte sur l'étude et l'analyse de la non-linéarité de contact générée par la propagation d'une onde à travers une fissure fermée. Notre approche repose sur la modélisation numérique par Eléments finis (EF) dont la résolution est effectuée dans le domaine temporel. La fissure est modélisée par une loi de contact unilatéral avec frottement de Coulomb. L'outil numérique mis en place est utilisé pour l'analyse de la méthode de génération d'harmoniques et sa relation avec la dynamique de contact. Le cas d'une interface de contact entre deux solides a permis d'estimer l'influence de l'état de contrainte sur le comportement non-linéaire, et a fait l'objet d'une validation expérimentale. La diffusion non-linéaire d'une fissure fermée orientée est ensuite obtenue en couplant la solution numérique à une méthode semi-analytique afin d'obtenir les diagrammes de directivité. Les mécanismes impliqués dans l'interaction onde - fissure sont mis en évidence. Ces résultats nous permettent ensuite d'appliquer la méthode du mixage d'ondes non-colinéaire, d'abord sur une interface de contact puis sur une fissure fermée. L'étude numérique et les premiers résultats expérimentaux démontrent le potentiel de la méthode en terme de détection, de caractérisation et d'imagerie. / The nonlinear effects produced by the interaction between a closed crack and an ultrasonic wave can be a good mean for the detection or thecharacterization of such cracks. This work is dedicated to the study and the analysis of the contact acoustic nonlinearity involved during the interaction of acoustic waves and closed cracks. Our approach is based on Finite Element (FE) modeling. The crack is modeled by unilateral contact with Coulomb's friction law, and numerical solutions are computed in the time domain. The numerical tool is used to analyze the method of higher harmonic generation and its relation with contact dynamics. First, the case of an interface between two solids in contact is considered, both numerically and experimentally, and it was shown that the nonlinear behavior depend on the state of stress. Then, nonlinear elastic scattering by a closed crack of various orientations was calculated. A hybrid model coupling FE and semi-analytical solutions was set up to compute the scattered field and to plot directivity diagrams. The nonlinear mechanisms involved in the interaction between a wave and a closed crack are highlighted. Using those results, the non-collinear mixing technique was applied for measuring the nonlinear response of a contact interface and a closed crack. The numerical results, as well as the first experimental results, are very promising for detecting, locating and imaging closed cracks.