Le contrôle non destructif de défauts du type fissures pénétrables ou impénétrables constitue un problème inverse très intéressant parmi ceux de la physique, de l'ingénierie des matériaux et structures, des sciences médicales, etc., et en soi est donc un sujet d'importance sociétale certaine. Le but de cette thèse est de développer des méthodes de reconstruction efficaces afin de les appliquer à une variété de problèmes de fissures. Premièrement, nous proposons un algorithme non-itératif afin de déterminer les extrémités de fissures conductrices, algorithme basé sur une formulation asymptotique appropriée et une méthode d'identification de pôles simples et de résidus d'une fonction méromorphe. Puis un algorithme non-itératif de type MUSIC(MUltiple SIgnal Classification) est considéré afin d'imager une fissure pénétrable ou impénétrable à partir du champ qu'elle diffracte, ce champ pouvant être représenté grâce à une formulation asymptotique rigoureuse. Une technique d'ensembles de niveaux est alors proposé afin de reconstruire une fissure pénétrable, deux fonctions d'ensemble de niveaux étant utilisées pour la décrire puisqu'une méthode traditionnelle d'ensembles de niveaux ne le permet pas de par sa petite épaisseur. Finalement, cette thèse traite de la reconstruction des fissures courtes et étendues avec des conditions limites de Dirichlet. Nous développons alors un algorithme de type MUSIC pour reconstruire les petites fissures et un algorithme d'optimisation pour les fissures longues basé sur la formulation asymptotique. Des simulations numériques nombreuses illustrent les performances des méthodes de reconstruction proposées.

Le principe du contrôle par flux de fuite magnétique (Magnetic Flux Leakage MFL) consiste à aimanter la pièce à contrôler par un champ magnétique et à détecter à l'aide d'un capteur magnétique les fuites des lignes du champ qui résultent de la présence d'un défaut dans la pièce. Dans le but d'améliorer les performances d'un dispositif de détection, le CEA et la société Vallourec collaborent pour développer un modèle numérique dédié au contrôle virtuel des défauts longitudinaux dans les tubes ferromagnétiques. Le dispositif expérimental comprend un circuit magnétique tournant à une vitesse constante autour du tube qui défile. Dans le cadre de cette thèse, on débute le problème de la modélisation sans tenir compte des effets de la vitesse de rotation, il s'agit donc de résoudre un problème d'électromagnétisme en régime magnétostatique.Pour résoudre ce problème, on propose de comparer une approche semi-analytique basée sur le formalisme des équations intégrales (EI) et une approche purement numérique utilisant les éléments finis (EF).Dans la première partie de cette thèse, après avoir établi le formalisme théorique par EI, un premier modèle considérant des matériaux ferromagnétiques à perméabilité magnétique constante (régime linéaire) a été mis en œuvre en 2D. Ce modèle a été appliqué pour un exemple de système extrait de la littérature et validé numériquement par une comparaison des résultats EI/EF. Pour une meilleure détection, il est opportun de saturer magnétiquement la pièce. Le matériau ferromagnétique est alors caractérisé par une courbe B(H) non-linéaire. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse a été consacrée à la mise en œuvre du modèle en régime non linéaire qui tient compte de cette caractéristique.Différentes méthodes de discrétisation ont été étudiées afin de réduire le nombre d'inconnues et le temps de calcul. L'originalité de la thèse réside dans l'utilisation des fonctions d'interpolation d'ordre élevé (polynôme de Legendre) pour une discrétisation des équations intégrales par une approche de type Galerkin. Les premiers essais de validation numérique de ce modèle ont été effectués sur un système MFL simplifié. Des premiers essais de validation expérimentale pour des données obtenues par EF ont été effectués en deux phases : La première a consisté à vérifier le distribution du champ magnétique pour un tube sain et en régime magnétostatique. La deuxième phase a consisté à calculer la réponse d'un défaut dans le tube ferromagnétique en tenant en compte les effets éventuels de la rotation du circuit magnétique par rapport au tube.

Ce travail de thèse porte sur le développement d'outils de modélisation pour le contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF). Il existe actuellement une tendance à la mise en œuvre de capteurs souples qui représentent une solution pertinente pour inspecter des pièces ayant une surface complexe. L'objectif principal de cette thèse est l'élaboration de techniques permettant la modélisation de ce type de capteurs au sein de la méthode des éléments finis (MEF).Lors de la modélisation d'un capteur souple avec la MEF, trois problématiques se manifestent. La première concerne le maillage des milieux fins qui apparaissent dans ce type de configuration (distance capteur-pièce contrôlée, bobine plate, revêtement fin...). Le maillage de ces régions par des éléments simpliciaux peut poser des problèmes numériques (éléments déformés quand un maillage grossier est considéré et grand nombre d'inconnues quand un maillage fin est utilisé). La deuxième problématique concerne le déplacement du capteur. Si les différents sous-domaines géométriques (air, pièce, capteur...) sont convenablement remaillés pour chaque position du capteur, le temps total pourra être pénalisant. La troisième problématique relative à la modélisation d'un capteur souple porte sur l'imposition du courant dans des bobines déformées.Une comparaison de différentes approches nous a conduit à retenir la méthode overlapping, qui permet de considérer simultanément des milieux fins avec maillages non-conformes. Cette méthode permet d'effectuer le recollement de deux surfaces non planes et/ou de géométries différentes. La méthode overlapping a été implantée dans deux formulations duales (magnétique et électrique) en 2D et 3D intégrées dans le code de calcul DOLMEN (C++) du LGEP. La méthode overlapping a été validée pour la prise en compte de plusieurs types de régions minces (air, milieux conducteurs, milieux magnétiques, bobines plates...). La modélisation des capteurs souples nécessite aussi l'implantation d'une technique permettant d'imposer correctement les courants dans un inducteur de forme arbitraire. Une technique a été sélectionnée et programmée, d'abord pour des bobines classiques (volumiques) déformées puis pour des bobines plates flexibles. Afin de valider les développements réalisés, différentes configurations de test ont été traitées et les résultats comparés avec des solutions de référence analytiques ou expérimentales.

La diffraction des rayons X apparait comme une modalité prometteuse pour l'inspection non invasive de bagages. Par comparaison aux techniques traditionnelles d'imagerie par transmission, cette technique permet de révéler davantage d'informations caractéristiques sur les matériaux, comme les distances inter-réticulaires pour les matériaux cristallins ou la fonction d'interférence moléculaire pour les matériaux amorphes. La méthode de diffraction par énergie dispersive (EDXRD), qui travaille à angle fixe avec un faisceau polychromatique et un détecteur résolu en énergie, est plus particulièrement adaptée à la problématique de contrôle de bagages, car elle permet d'envisager une architecture parallélisée pour imager un bagage complet en un temps raisonnable. Les travaux proposés dans cette thèse ont donc pour but d'étudier un système EDXRD utilisant un détecteur spectrométrique CdZnTe multi pixels pour l'identification des matériaux illicites dans les bagages. Une première étape a consisté à prendre en main cette technique à la fois expérimentalement avec un banc de diffraction mis à disposition et théoriquement par le biais du développement d'un outil de simulation élaboré. La confrontation entre l'expérimentation et la simulation a permis de bien comprendre la physique d'un tel système et de mieux analyser ses faiblesses pour pouvoir les corriger. En nous appuyant sur ces deux outils, nous avons ensuite étudié et mis en oeuvre de nouveaux concepts pour améliorer les performances du système EDXRD, en termes de résolution, d'intensité et de stabilité des pics de diffraction. Ainsi, une architecture novatrice, s'appuyant sur un traitement des signaux transitoires délivrés par les détecteurs CdZnTe, est proposée afin d'améliorer le compromis entre la résolution des pics de diffraction et leur intensité. Cette architecture est basée sur la sur-pixellisation du détecteur par la méthode de localisation barycentrique et sur une adaptation géométrique du système collimateur/détecteur. Enfin, le problème d'instabilité des pics de diffraction, due à l'effet d'orientation des grains des matériaux cristallins, est également traité.

En sciences et dans l'industrie pour limiter le nombre de maquettes expérimentales dans les projets R&D afin de mieux comprendre et de bien interpréter les phénomènes ultrasonores complexes observés sur site, des simulations de contrôles ultrasonores sont effectuées. Ces simulations sont d'autant plus réalistes que la description des structures à contrôler est précise, en particulier au niveau des constantes d'élasticité et d'atténuation intrinsèque. Les objectifs de cette étude sont d'améliorer d'une part les connaissances sur l'influence des caractéristiques métallurgiques des matériaux anisotropes et hétérogènes sur la propagation ultrasonore et d'autre part les performances des codes de calcul (logiciel ATHENA d'EDF) qui nécessitent de disposer des données d'entrée pertinentes, notamment en ce qui concerne les constantes d'élasticité et l'atténuation ultrasonore. Cette étude est dédiée à la caractérisation des matériaux à gros grains, comme les aciers austéno-ferritiques moulés par centrifugation et les soudures en acier inoxydable austénitique ou en alliages à base nickel. Un système expérimental unique permettant de mesurer les constantes d'élasticité et l'atténuation en incidence oblique à été mis au point. Le point fort de ce dispositif est qu'il permet de travailler au-delà de l'angle critique longitudinal et donc de mesurer les propriétés d'atténuation des ondes transversales. Les constantes d'élasticité sont déduites des vitesses ultrasonores à partir d'un processus d'optimisation basé sur la résolution de problème inverse. Nous avons montré les potentialités d'algorithmes d'optimisation globaux tels que les algorithmes génétiques moins susceptibles de converger vers des minima locaux de la fonction à minimiser. Les résultats obtenus à partir des mesures expérimentales sont en accord avec la littérature. Des résultats de l'atténuation des ondes longitudinales et transversales par décomposition du faisceau en spectre d'ondes planes sont présentés.

Les travaux proposés portent sur la caractérisation par rayons X des matériaux, en vue du tri de certains d'entre eux dans un flux de déchets. L'objectif final du tri est la valorisation de certains matériaux par le biais des circuits de recyclage. Deux méthodes d'analyse utilisant les rayons X sont décrites : la méthode par transmission bi-énergie et la fluorescence X. Ces deux méthodes sont abordées sous un angle théorique et expérimental. Le mémoire se compose de trois parties. La première partie présente le contexte général de l'étude, les différents scénarios de tri envisagés, les différentes méthodes existantes ainsi que les machines de tri industrielles déjà commercialisées. La seconde partie est consacrée à l'analyse par transmission X bi-énergie. Dans cette partie nous présentons tout d'abord le principe de la décomposition d'un matériau dans une base de deux autres matériaux. Ensuite nous utilisons un code de simulation analytique développé au laboratoire afin d'une part d'optimiser la géométrie du détecteur mais également de prévoir les performances de cette méthode en fonction des scénarios et des matériaux recherchés. Nous avons introduit un critère permettant de quantifier la performance d'un scénario donné. Cette méthode a permis de montrer que plusieurs scénarios de tri et en particulier celui du tri des retardateurs de flamme dans un flux de plastiques sont envisageables par cette méthode. Un prototype de machine industrielle a été construit par la société Bertin Technologies et installé dans les locaux de la société Pellenc ST pour réaliser des tests en conditions réelles de tri. Les résultats de simulation ont été comparés aux essais en conditions réelles. Cette partie se conclue avec une introduction aux méthodes multi-énergie. La troisième et dernière partie s'intéresse à la fluorescence X. L'objectif est de mettre au point une méthode permettant d'identifier la nature du matériau en tenant compte des contraintes industrielles (temps d'acquisition faible), c'est-à-dire lorsque le niveau de signal contenu dans le spectre de fluorescence est faible et bruité. Un banc expérimental a été mis au point au laboratoire et a permis de définir la limite de détection qui dépend du matériau analysé et du temps d'acquisition pour réaliser la mesure. Le second point développé dans cette partie est la mise au point d'une technique de simulation de fluorescence combinant le calcul analytique et le calcul par méthode Monte Carlo. L'avantage de cette technique est d'avoir une méthode de simulation plus rapide par rapport à un calcul qui serait réalisé entièrement par Monte Carlo. En conclusion, nous discutons de la complémentarité des informations issues de ces différentes techniques ainsi que leurs avantages et inconvénients.

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.

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. / The work presented in this report contributes to the development of Non Destructive Evaluation of the external post-tensioned ducts in bridges. A capacitive probe has been developed for bridge monitoring applications. The aim of this work is to improve its diagnostic.In a first step, a coaxial transmission line was developed to characterize the materials involved in the duct over the frequency range 50 MHz - 1 GHz. The cement grout, segregation products of the cement grout and the injection wax were studied.In the second part of this work the previous results are used in the modelling of the devices. A parametrical study has shown the ability to get from the signals an estimate of the thickness of the void in the duct. This estimation method has been validated using a laboratory duct. Further, several improvements of the probes are proposed to get signals containing more information in order to get a better estimation of the target parameters.

Le contrôle non destructif in-situ de durabilité des matériaux cimentaires est essentiel à la prédiction et la prévention des défauts de fonctionnement des constructions. Alors que les dégradations, et donc la perte de durabilité, des matériaux cimentaires sont déclenchées et contrôlées par les caractéristiques et les évolutions de leur microporosité, il n'existe pas à notre connaissance de méthode non destructive d'instrumentation in-situ de la microporosité elle-même. Nous proposons un concept innovant d'évaluation de la durabilité des matériaux cimentaires fondé sur l'instrumentation in-situ de leur microstructure. La méthode repose sur l'investigation ultrasonore haute fréquence de micropores individuels au moyen de micro-transducteurs ultrasoniques capacitifs (μ-cMUT) immergés en grand nombre dans le matériau. Le dispositif proposé pour répondre aux multiples contraintes applicatives et technologiques est un μ-cMUT dont la plaque vibrante est constituée d'une couche mince de nanotubes de carbone monoparoi densément alignés. Nous avons traité la question de la pertinence de ce principe d'instrumentation en modélisant par un problème élasto-acoustique microfluidique l'interaction entre la plaque vibrante d'un μ-cMUT et le fluide, air ou eau, contenu dans un pore de taille micrométrique. La spécificité du modèle réside dans la prise en compte du comportement dissipatif du fluide. La résolution de ce problème couplé a nécessité le développement d'une méthode numérique ad-hoc. Nous avons constaté numériquement que la dissipation cause une diminution des fréquences de résonance. La couche limite a une épaisseur importante par rapport à la taille du domaine. Les amplitudes de vibration des plaques sont particulièrement sensibles au contenu des pores et à la géométrie des pores remplis d'eau. Nous en avons déduit que les μ-cMUT proposés pourraient être pertinents dans les matériaux cimentaires pour le suivi de l'hydratation, pour la détection des dégradations et le suivi de leur évolution. Pour étudier la faisabilité d'un μ-cMUT à nanotubes opérationnel à haute fréquence dans l'air et l'eau, nous avons tout d'abord réalisé par diélectrophorèse des dépôts denses et minces de nanotubes bien alignés. Un des dépôts est monocouche, ce qui constitue une performance remarquable pour un dépôt par diélectrophorèse. Nous avons ensuite suspendu les nanotubes, obtenant ainsi des membranes rigides et longues. L'épaisseur de ces membranes suspendues est particulièrement faible et leur facteur de forme particulièrement élevé par rapport à l'état de l'art des cMUT. Nous avons enfin montré par vibrométrie laser que les membranes vibrent à basse fréquence avec des amplitudes atteignant 5 nm pic-à-pic. Il s'agit à notre connaissance de la première mise en évidence de vibrations de nanotubes de carbone monoparoi par vibrométrie laser. Ces résultats démontrent une brique de base essentielle de l'étude complète de faisabilité du dispositif imaginé. Ils indiquent aussi la faisabilité à court terme de microdétecteurs d'air pour le suivi de la microporosité gazeuse des matériaux cimentaires. En regroupant ainsi une étude numérique de pertinence et une étude technologique de faisabilité, la thèse constitue une contribution significative à la mise au point d'une nouvelle méthode de suivi de durabilité de matériaux cimentaires fondé sur l'immersion au coeur du matériau d'un grand nombre de microcapteurs intégrant des nanotechnologies

Afin de pouvoir détecter un défaut dans un composite, plusieurs méthodes de contrôle non destructif ont été développées. Le but de ce travail est de localiser un délaminage dans un stratifié carbone / époxyde en utilisant deux méthodes : la thermosonique et la thermographie. La première méthode consiste en une excitation par ultrasons et une détection par caméra IR. Pour la seconde technique, le matériau est irradié par une onde thermique et la détection est aussi réalisée par une caméra IR. Afin de comparer les résultats obtenus, des tests par immersion ultrasons C-scan ont été réalisés sur les échantillons. Cette méthode permet d'obtenir une cartographie du délaminage présent dans le stratifié. Un algorithme de comparaison entre la détection du délaminage faite par les ultrasons C-scan et les deux méthodes a permis de révéler les différences de forme du défaut détecté. Différents traitements d'images ont été appliqués aux images IR obtenues : des analyses temporelles et des analyses spatiales/temporelles. L'étude de l'évolution instantanée ainsi que l'évolution globale de la température se sont révélées prometteuses pour la thermosonique. L'image la plus décorrélée obtenus par l'analyse en composante principales donne un résultat tout aussi satisfaisant pour cette méthode. Pour la méthode sans contact, la thermographie, l'étude de la phase a permis de révéler la forme du délaminage avec la même précision que la thermosonique.Une comparaison de ces deux méthodes a été réalisée afin de mettre en évidence leurs avantages et leurs inconvénients. / To detect a defect in a composite, several methods of non destructive testing have been developped. The aim of this work is to find a delamination in polymer matrix laminates thanks to two methods : thermosonics and thermography. The first method consists of an ultrasonic excitation and a detection by an IR camera. For the second technique, the plate is irradiated with a thermal wave and the detection is also performed by an IR camera. To compare the results, ultrasonic immersion tests were performed on the samples. This method provides a map of the delamination in the laminate. An algorithm for comparing the detection of delamination made by the ultrasonic C-scan and both methods revealed differences in the shape of the detected defect. Several image processing have been applied to the IR images recorded : temporal analysis and spatial / temporal analysis. The study of the instant evolution and the global evolution of the temperature are promissing for thermosonics. The most uncorrelated image obtained by principal component analysis gives is satisfactory for this method. For thermography, the non contact method, the phase study revealed the shape of delamination with the same precision as thermosonics.A comparison between the two methods was realised to highlight their advantages and their drawbacks.