Afin d'améliorer le processus de classement des poutres en bois à usage structurel, l'objectif de ce travail consiste à imaginer et mettre en œuvre un système de mesure capable d'estimer de manière non destructive et fiable le module d'élasticité longitudinal et la contrainte à la rupture des avivés. Cette problématique inclut la possibilité de détecter et de quantifier le ou les défauts présents dans les pièces de bois. Pour atteindre l'objectif fixé, plusieurs étapes sont nécessaires. Ces différentes étapes sont présentées en détails dans l'ordre logique, et chronologique, pour des raisons de clarté. La première étape expose les modèles classiques, utilisés en analyse modale, en précise les limites de validité, puis établit une nouvelle approche théorique permettant de prendre en compte et de caractériser la présence de singularités dans les poutres en vibrations. La deuxième étape permet d'établir la liaison entre la théorie des vibrations de plaque et celle de poutre. Cette étape précise ainsi la limite de validité des modèles classiques de poutre en vibrations lorsque les dimensions de la section transverse sont différentes, ce qui est généralement le cas des poutres à usage structurel. La troisième partie permet de caractériser dans la gamme de fréquence concernée, par le biais d'une modélisation viscoélastique du comportement dynamique du matériau, l'ensemble des transformations subies par les ondes se propageant dans les poutres en vibrations. La quatrième partie pose le problème de la détection du nombre des singularités et de leur position à partir d'une méthode basée sur l'impact – echo, analysant les réflexions des ondes propagatives à l'interface entre différents milieux. La cinquième et dernière partie permet de juger de l'efficacité de l'ensemble des méthodes non destructives, développées au cours des précédentes étapes, à partir d'essais expérimentaux sur plusieurs lots de bois à usage structurel, quant à l'estimation des valeurs mécaniques de référence par des traitements statistiques appropriés.

En vue de simuler une expérience de contrôle non destructif par ondes ultrasonores guidées, on considère un guide élastique 2D (une plaque) ou 3D (une barre) qui comporte un défaut (fissure, hétérogénéité locale due à une soudure etc...). L'objectif est de résoudre numériquement le problème de la diffraction d'un mode du guide par le défaut. Nous nous sommes attachés à mettre au point une méthode couplant des éléments finis dans une portion (aussi petite que possible) du guide, contenant le défaut, avec des décompositions modales de part et d'autre du défaut. La difficulté consiste à écrire la bonne condition de raccord entre ces deux représentations. Le point important est d'avoir à sa disposition une relation d'orthogonalité permettant de projeter la solution éléments finis sur les modes. Ceci conduit à formuler le problème à l'aide de vecteurs hybrides déplacement/contrainte pour lesquels il existe une relation de bi-orthogonalité : la relation dite de Fraser. On peut alors écrire une condition exacte (ou transparente) à la troncature modale près, sur les frontières artificielles du domaine de calcul. Il faut enfin intégrer cette condition aux limites dans une approche variationnelle (en déplacements) en vue de développer une méthode d'éléments finis. Du fait du caractère hybride de la condition, on doit pour cela introduire comme inconnue supplémentaire la composante normale de la contrainte normale définie sur la frontière artificielle et écrire une formulation mixte. Nous avons traité numériquement les cas bidimensionnel et tridimensionnel d'un guide isotrope à bords libres. Les modes du guide sont calculés numériquement par une approche originale utilisant à nouveau les vecteurs hybrides déplacement/contrainte, qui permet de conserver au niveau discret la relation de biorthogonalité. Le code développé permet de calculer très rapidement la "matrice de scattering

Ces travaux ont pour objectif de proposer une réparation de mise en œuvre simple et adaptée au défaut sur matériaux composites de type « impact faible énergie » très courant au sein des structures aéronautiques. Une méthode d'infiltration de résine dans le dommage est proposée. Après une étude analytique du principe, un banc d'essai a été réalisé pour valider la capacité d'infiltration évaluée notamment par CND. Dans un deuxième temps, une démarche globale (numérique et expérimentale) de validation mécanique des réparations composites est mise en place. Des essais classiques et plus originaux sont proposés pour l'analyse de la ténacité de l'interface réparée à l'échelle du matériau (DCB, ENF, Traction rainurée) puis à une échelle représentative de structure (CAI, re-poinçonnement).

Devant les difficultés rencontrées pour l'exploration de surfaces complexes, en particulier dans l'industrie nucléaire, le traducteur ultrasonore multiéléments conformable permet un contrôle non destructif de pièces à géométrie complexe 3D. Ce type de capteur est un réseau matriciel composé d'émetteurs indépendants moulés dans une résine mécaniquement souple. Une analyse vibratoire par éléments finis permet de définir la structure émettrice en piézocomposite 1-3, ce qui conduit à l'élaboration d'éléments émetteurs. L'étude expérimentale de ces dispositifs a mené au développement du modèle semi-analytique, pour prendre en compte les contraintes tangentielles calculées à l'interface entre l'émetteur et le milieu de propagation, par éléments finis. Ceci permet de visualiser quelques phénomènes liés au couplant fluide et améliore la prédiction du champ en ondes transverses. De là, un prototype du réseau conformable a été caractérisé en transmission et en échographie.

Les métallurgistes d'ArcelorMittal développent actuellement une nouvelle génération d'aciers " flat carbon" dédiés principalement au domaine automobile (aciers Dual- Phase ou DP). Afin d'augmenter la performance des aciers au carbone, ArcelorMittal développe une stratégie de production intelligente basée sur un contrôle non destructif en ligne de production en utilisant le capteur 3MA (Multi-Parameter Micro-Magnetic Microstructure and Stress Analyzis). Ce système a été développé par l'Institut Fraunhôfer IZFP ; il est dédié à divers domaines d'applications de contrôle non destructifs des aciers en ligne. L'objectif principal de cette recherche est de simuler le comportement magnétique du dispositif industriel 3MA via la méthode des éléments finis. La modélisation du système (dispositif CND et échantillon) présente des difficultés au niveau du maillage et du temps de calcul surtout avec la mise en œuvre du modèle d'hystérésis. En effet, le système présente une géométrie multi échelles spatiale et temporelle. Afin de palier à ces problèmes, une stratégie de calcul a été développée et validée en 2D, en séparant calcul haute fréquence (HF) et basse fréquence (LF). Cette méthode permet d'effectuer des calculs en plusieurs fois et prend moins d'espace mémoire. Le modèle d'hystérésis de Jiles-Atherton a été choisi pour sa précision et a été implémenté dans le code FEM Flux afin de décrire le comportement magnétique du matériau. Les résultats obtenus sont en accord avec les données expérimentales.

L'habilitation à diriger des recherches est une occasion de s'arrêter et prendre un moment pour faire le point sur le passé et de réfléchir sur l'avenir de sa carrière. Dans cette optique, ce mémoire est une rétrospective des douze dernières année de ma carrière, des années que j'ai passées au Centre de Morphologie Mathématique de Mines-ParisTech, où j'ai mené mes travaux de recherche. Dans ce mémoire, j'ai répertorié ces travaux autour de deux axes principaux. Le premier axe, méthodologique, fait état des avancées méthodologique de la détection d'objets fins. Le second axe - algorithmique - répertorie des algorithmes originaux, et mises en pratiques efficaces, toujours présentés dans le contexte de détection d'objets fins. Dans le cadre du premier axe, on répertorie trois contributions principales : - une approche morphologique variant dans l'espace, contrôlée par une analyse locale des structures, nommée approche morpho-hessienne. - ouverture parcimonieuses par chemins - est une variante parcimonieuse des ouvertures par chemin, obtenue en découplant la recherche des chemins et leur filtrage. Cette approche permet non seulement de définir des opérateurs nouveaux, mais également de baisser de manière significative la complexité et, par conséquent, le temps de calcul. - amincissement par attributs - basés sur un attribut original - le diamètre géométrique, permettent l'extraction d'éléments fins de manière très efficace. Dans le cadre du second axe - algorithmique - on répertorie des algorithmes originaux, et mises en pratiques efficaces, toujours présentés dans le contexte de détection d'objets fins. Dans ce volet, nous retrouvons: - un algorithme de dilatation 1-D et - deux algorithmes différents d'ouverture morphologique 1-D. Ces trois algorithmes présentes des propriétés intéressantes pour une mise en œuvre efficace. Dans le volet de mises en pratique efficaces nous retrouvons des réalisations pour des applications de traitement d'images travaillant sous fortes contraintes temps réel: - plusieurs réalisation matérielle (FPGA), et - une réalisation GPU, ont permis de valider l'efficacité calculatoire de ces algorithmes. Entre autre, nous avons pu proposer une première réalisation de processeur morphologique à taille de voisinage arbitrairement large. La taille du voisinage (même très grande) n'introduit ni de difficulté de réalisation, ni d'impact négatif sur l'efficacité de calcul. Un chapitre entier est consacré à la partie applicative, faisant état des collaborations industrielles. La section principale est consacrée aux applications industrielles, du domaine de sciences de matériaux, et plus particulièrement l'inspection ou le contrôle. Le deuxième section vient du domaine médical et biomédical. Enfin, une troisième section, plus courte, est consacrée aux applications spéciales ou embarquées. Ce mémoire est annexé par une sélection de mes principales publications scientifiques permettant de retrouver aisément les références bibliographiques les plus importantes de ce mémoire.

Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement du contrôle non destructif des conduits de précontrainte extérieure dans les ouvrages d'art. Une sonde capacitive a été développée pour ausculter ces conduits. L'objectif est d'en améliorer le diagnostic.Dans un premier temps, une cellule de mesure en transmission coaxiale a été développée pour caractériser les matériaux présents dans le conduit sur la bande de fréquence 50 MHz - 1 GHz. Le ciment, les produits de la ségrégation du ciment et la cire d'injection ont été étudiés.La deuxième partie du travail exploite ces résultats dans une modélisation directe du problème global. Une étude paramétrique nous a permis de proposer une méthode d'estimation de l'épaisseur de vide à l'intérieur du conduit à partir des signaux délivrés par la sonde, qui a pu être validée sur une maquette de conduit. A partir de ces résultats sont proposées plusieurs améliorations du dispositif visant à l'obtention de signaux plus riches issus des capteurs, afin de pouvoir estimer un plus grand nombre de paramètres.

Nous mettons à profit la dynamique photoréfractive d'un cristal semi-conducteur de GaAs pour la réalisation d'un capteur de vibrations de basses fréquences (<10 kHz) et de grandes amplitudes (plusieurs mm) fonctionnant en régime de vélocimétrie et insensible à l'état de surface de l'objet. Le principe consiste à coupler dans le matériau photoréfractif une onde référence et une onde signal porteuse de l'information vibratoire d'un objet quelconque à étudier. Les deux ondes écrivent un hologramme dynamique qui suit partiellement le déplacement de la figure d'illumination. L'onde référence diffracte sur le réseau créé pour donner naissance à une onde ayant le même profil spatial que l'onde signal transmise et portant une partie de l'information de la modulation de phase. Les deux ondes interfèrent en teinte plate sur une photodiode permettant d'obtenir un signal électronique proportionnel à la vitesse instantanée de la cible en vibration. La réalisation d'un prototype a permis de valider pleinement le modèle théorique développé et montrer l'insensibilité de la réponse à l'état de surface de la cible. Le régime de fonctionnement linéaire du capteur est limité essentiellement par le temps de réponse du matériau holographique. Pour élargir la gamme de fonctionnement de notre système, nous avons montré qu'il était possible d'extraire, par simple traitement optique, la vitesse instantanée de l'objet même lorsque la réponse était non linéaire. Mots-clés : contrôle non destructif, optique non linéaire, milieu holographique, matériaux photoréfractifs

Ce travail concerne la détection de fissure par une méthode optoacoustique non linéaire. Les échantillons sont des plaques de verre contenant une fissure de longueur centimétrique et de largeur micrométrique. La méthode développée est basée sur l’absorption de deux lasers, indépendamment modulés, et focalisés au même endroit de l’échantillon. Ceci génère deux ondes par expansion thermique. La première est une onde thermoélastique à basse fréquence fL (~Hz), et la seconde une onde acoustique à haute fréquence fH (dizaines de kHz). Quand une fissure est présente dans la zone échauffée, l’onde thermoélastique peut la faire respirer. La fissure va se fermer (s’ouvrir) quand l’intensité du laser modulé à fL est haute (basse). Cette respiration influence l’onde acoustique à fH générée à proximité. Il résulte un mélange de fréquence nonlinéaire, provoquant la génération de nouvelles fréquences : fH±n fL (n=1,2,…). La détection de ces fréquences mélangées indique la présence d’une fissure. / This thesis deals with crack detection by a nonlinear optoacoustic method. The samples are glass plates containing a centimeter length and micrometer thick crack. The developed method is based on the absorption of two light beams, independently modulated, and focused at the same location on the sample. This causes the generation of two waves, by thermal expansion. The first one is a thermoelastic wave at low frequency fL (~Hz), and the second is an acoustical one at high frequency fH (tens of kHz). When a crack is present in the heated zone, the thermoelastic wave can make it breathe. The crack is expected to close (open) when the intensity of the heating laser modulated at fL is high (low). This breathing influences the acoustic wave generated in the vicinity of the crack at fH. It results a nonlinear frequency-mixing process, leading to the generation of new frequencies: fH±n fL (n=1,2,…). The detection of these mixed-frequencies indicates the presence of a crack.

Le but de la thèse est de modéliser la génération d’ondes élastiques ultrasonores émises par EMATs dans une pièce ferromagnétique, modélisation appliquée au domaine du contrôle non destructif (CND). Les traducteurs EMATs combinent deux physiques différentes : électromagnétisme et élastodynamique. L’enjeu est d’intégrer dans la plateforme de simulation CIVA, dédiée notamment aux CND par courant de Foucault et par ultrasons, les éléments de modélisation inhérents à la problématique multi-physique posée. Ces éléments sont multiples et concernent premièrement la modélisation des forces électromagnétiques créées par un EMAT : la force de Lorentz, existant dans tous milieux conducteurs, et les forces d’aimantation et de magnétostriction, spécifiques aux milieux ferromagnétiques. Deuxièmement, la modélisation proposée prend aussi en compte le phénomène de création d’harmoniques, phénomène dû aux différentes forces et traduisant le fait que les fréquences de l’onde ultrasonore émise peuvent être des harmoniques des fréquences du signal d’excitation de l’EMAT. Le modèle de forces et de création d’harmoniques permet de modéliser des situations de contrôle non prises en compte par les modèles de la littérature, notamment lorsque les champs statiques créés par l’EMAT sont faibles ou lorsque le courant d’excitation possède une forte intensité. Enfin, les forces électromagnétiques sont transformées en contraintes surfaciques équivalentes pour correspondre au formalisme des données d’entrée des modèles de rayonnement des ondes élastiques implémentés dans CIVA. L’outil informatique développé permet donc de traiter toute configuration et condition d’utilisation des EMATs, constituant un outil d’optimisation de leur conception. Les caractéristiques électromagnétiques de différents matériaux, données par l’expérience, sont utilisées pour mener diverses études paramétriques. / The present study aims at modelling the ultrasonic wave generation by EMATs into a ferromagnetic part in the context of non-destructive testing (NDT). Wave radiation by EMATs combines two different kinds of physical phenomena: electromagnetism and elastodynamics. The issue is to implement into the NDT simulation platform CIVA, dedicated in particular to eddy current and ultrasonic NDT, the models developed in the present work. These developments are of various nature and firstly concern the modelling of the electromagnetic forces created by an EMAT: the Lorentz force, existing in any conductive media, and the magnetization and the magnetostriction forces, which add up when the medium is further ferromagnetic. Secondly, the proposed models take into account the generation of harmonics due to the three forces. Ultrasonic frequencies of the generated ultrasonic waves can be harmonics of the frequencies of the excitation electrical signal. The model of force and harmonic generation allows us to deal with configurations not treated in the literature, namely, when the static field created by the EMAT is low or when the excitation current intensity is high. Finally, the three electromagnetic forces are transformed into equivalent surface stresses readily usable as entries of an existing model of ultrasonic wave radiation already implemented in CIVA. Thus, the combination of all these models and their translation as a numerical tool running within the CIVA platform can be used for optimizing the design of EMAT. Experimentally measured electromagnetic characteristics of different materials are used to perform various parametric studies.