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.

Un traducteur électromagnétique acoustique (EMAT) induit sans contact des sources dynamiques responsables du rayonnement ultrasonore transmis dans une pièce pour son contrôle non-destructif (CND).Un modèle de sources de transduction induites par EMAT en milieux ferromagnétiques est développé. Il prend en compte des courbes anhystérétiques d’aimantation et de déformation de magnétostriction prédites par une approche multi-échelle simplifiée, et dérive formellement les tenseurs des contraintes électromagnétiques et magnétostrictives adaptés à la formulation des sources électromagnéto-élastiques induites par EMAT dans une très large gamme de configurations d’inspection.Pour simuler efficacement le rayonnement ultrasonore de sources volumiques en utilisant les modèles semi-analytiques du logiciel CIVA, une méthode capable de les transformer en contraintes surfaciques équivalentes est développée. Ainsi, le modèle formule une source de contraintes surfaciques décrivant l’ensemble des phénomènes de transduction impliqués par EMAT en milieux magnétiques. Ce modèle permet de quantifier le poids relatif de chaque source de transduction, d’illustrer l’influence de la prise en compte des lois magnéto-élastiques anhystérétiques, et de mettre en évidence les variations des sources avec un état de contraintes mécaniques. Il est appliqué dans une configuration EMAT donnée pour illustrer l’apport des outils mis en place dans la conception d’EMAT pour le CND, et ses prédictions sont comparées avec succès à des résultats de mesure. / An electromagnetic acoustic transducer (EMAT) induces without contact dynamic sources in a ferromagnetic material which radiate ultrasonic waves used for its nondestructive evaluation (NDE).Taking account of the anhysteretic magnetic and magnetostrictive constitutive laws predicted by a simplified multiscale approach, the transduction model derives the electro-magnetic and magnetostrictive stresses tensors, well-fitted for the definition of electromagnetic and magnetostrictive sources induced by EMAT, irrespective of the piece geometry, of the material properties and of the transducer design.To efficiently predict ultrasonic field radiation with the CIVA platform, a method to transform body sources into equivalent surface stresses is developed. As a result, an equivalent surface source is derived to accurately depict all the transduction processes induced by EMAT in nonlinear magnetic material. The model is used to quantify the weight of each transduction mecanism, to illustrate effects of nonlinear magnetoelastic behaviors of materials, to enlighten the impact of elastic residual stresses on transduction sources. It is applied in a given EMAT NDE configuration to illustrate how the developed tools can help optimizing EMAT design, and its predictions are succesfully compared to experimental measurements.

This research covers modeling of Electro Magnetic Acoustic Transducers (EMATs) and their application in excitation and detection of longitudinal guided Lamb wave modes for evaluation of flaws in cylindrical pipes. The combination of the configuration of transducers and the frequency of the input current is essential for successful excitation of desired guided wave modes and for proper interpretation of the results. In this study EMATs were successfully constructed and longitudinal modes L(0,1) and L(0,2) were excited in the pipe. From the recorded signals the level of simulated damage in pipes could be assessed. It is also possible to theoretically predict the location of the pipe flaws. Theoretical predictions are matched with experimental results. Dents and holes in pipes are detected by appropriate signal processing of received L(0,1) and L(0,2) modes.

Electromagnetic acoustic transducers (EMATs) are increasingly used in industries due to their attractive features of being non-contact, cost-effective and the fact that a variety of wave modes can be generated, etc. There are two major EMATs coupling mechanisms: the Lorentz force mechanism for conductive materials and the magnetostriction mechanism for ferromagnetic materials; EMATs operated on Lorentz force mechanism are the focus of this study. This work aims to investigate novel efficient modelling techniques for EMATs, in order to gain further knowledge and understanding of EMATs wave pattern, how design parameters affect its wave pattern and based on above propose and optimise novel sensor structures. In this study, two novel modelling methods were proposed: one is the method combining the analytical method for EM simulation and the finite-difference time-domain (FDTD) method for US simulation for studying the Rayleigh waves' properties on the vertical plane of the material; the other one is the method utilizing a wholly analytical model to explore the directivity of surface waves. Both simulations models have been validated experimentally. The wholly analytical model generates the radiation pattern of surface waves, which lays a solid foundation for the optimum design of such sensors. The beam directivity of surface waves was investigated experimentally, and results showed the length of wires has a significant effect on the beam directivity of Rayleigh waves. A novel configuration of EMATs, variable-length meander-line-coil (VLMLC), was proposed and designed. The beam directivity of surface waves generated by such novel EMATs were analytically investigated. Experiments were conducted to validate such novel EMATs models, and results indicated that such EMATs are capable of supressing side lobes, and therefore resulting in a more concentrated surface waves in the desired direction. Further, another two novel configuration of EMATs, the four-directional meander-line-coil (FDMLC) and the six-directional meander-line-coil (SDMLC), were proposed and designed; results showed these EMATs are capable of generating Rayleigh waves in multiple directions and at the same time suppressing side lobes.

Les squats et les head-checks sont des défauts générés par l’endommagement des rails dû à la fatigue de contact de roulement, ils sont localisés à la surface du champignon du rail. La possibilité de les détecter en modes statique et dynamique lorsque leur profondeur se situe sous le seuil critique de 5 mm, constitue un challenge important pour l’industrie ferroviaire. Les méthodes d’inspection existantes ne permettent pas de les déceler avec certitude. L’objectif de ce travail a été de développer des méthodes alternatives pour l’inspection automatique du rail permettant de détecter ces défauts superficiels. Nous montrons que les méthodes sans contact : Ultrasons-Laser et EMATs (transducteurs électromagnétiques) sont très performantes pour la détection des défauts définis précédemment en utilisant des ondes acoustiques de surface, notamment dans le cas d’un contrôle dynamique. Cette étude présente les deux méthodes utilisées pour la génération et la détection des ondes de Rayleigh. Des essais sont effectués en modes statique et dynamique. Les résultats obtenus montrent la faisabilité des méthodes de contrôle non destructives envisagées pour la détection de squats et de head-checks de différentes profondeurs. Les essais EMAT se sont notamment révélés satisfaisants pour des vitesses importantes de déplacement de l’échantillon. / Squats and head-checks are a form of near surface rolling contact fatigue damage found in rail heads. The ability to detect these defects in static and dynamic modes when their depth is under the critical threshold of 5 mm represents a major challenge for the rail industry. Conventional inspection methods do not allow their detection with certainty. Therefore, the aim of this work was to develop alternative methods for automatic rail inspection leading to open cracks detection. We show that non-contact methods: Laser-Ultrasonics and electromagnetic transducers (EMAT) are very efficient for the detection of the previously defined defects using surface acoustic waves, particularly in the case of a dynamic control. This study presents two methods for the generation and detection of Rayleigh waves. Static and dynamic tests are performed. The experimental results show the feasibility of the envisaged methods for the detection of squats and head-checks of different depths. Especially, the EMAT tests were satisfactory for high speeds displacement of the sample.

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.