Cette thèse porte sur l’évaluation et la caractérisation non destructives (END/CND) par ultrasons de matériaux composites contribuant en partie au concept de contrôle santé structural (SHM). Plus particulièrement, les phénomènes d’adhésion et de vieillissement de structures sandwichs composites à âme en nid d’abeille sont d’un intérêt déterminant pour l’aéronautique. Les propriétés liées à ces deux phénomènes ont été étudiées à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de résultats expérimentaux. Sur la base de travaux antérieurs, les ondes de Lamb ont permis de caractériser l’adhésion et le vieillissement. Des simulations complémentaires par éléments finis ont été menées avec le logiciel Comsol Multiphysics©. Des défauts d’adhésion tels que les délaminages ou décohésions ont pu être détectés et localisés au moyen de la Transformée de Fourier à Court Terme (TFCT) par fenêtre glissante, par simulation et par l’expérience. Dans la perspective de cadences d’END industrielles, les transducteurs multiéléments permettent une inspection et une caractérisation locales du collage. À titre de comparaison, la modélisation par série de Debye (DSM) a permis de résoudre localement le problème inverse sur un plan de coupe d’un composite à nid d’abeille. Le vieillissement de structures sandwichs a été étudié dans un premier temps par ondes de Lamb dans l’air et dans un second temps par mesure d’impédance électromécanique via un transducteur en contact avec les échantillons. Les résultats de modélisation et expérimentaux montrent que les fréquences et largeurs de résonances varient suivant le taux de porosités, illustrant la sensibilité de ces méthodes au vieillissement. / This thesis focuses on the ultrasonic non-destructive testing and evaluation (NDT&E) of composite materials contributing in part to the concept of structural health monitoring (SHM). Specifically, adhesion phenomena and aging of composite sandwich core honeycomb structures are of crucial interest for aeronautics. The properties related to these two phenomena were studied using theoretical models, numerical simulations and experimental results. Based on previous works, using Lamb waves allow to characterize adhesion and aging. Additional simulations were carried out with the finite element software Comsol Multiphysics©. Adhesion defects such as delamination or debonding at the interfaces have been detected and located by means of the Short Term Fourier Transform (STFT) by sliding window, both numerically and experimentally. In view of NDT industrial rates, phased array transducers allow inspection and characterization of local bonding. By comparison, the Debye series method (DSM) was conducted locally to solve the inverse problem of a cut plane of a honeycomb composite. First, sandwich structure aging was investigated using Lamb waves in the air. Second, the aging was evaluated by measuring the electromechanical impedance of a transducer in contact with the samples. These experimental results show that the resonance frequencies and widths variations depend on the degree of porosity, indicating the sensitivity of these methods to the aging.

Depuis quelques années, de nombreuses études portent sur la «Surveillance de Santé des Structures». La plupart de ces études concernent la mesure des endommagements. Si ces mesures permettent de connaître l'état de la structure, elles ne permettent pas de savoir si les endommagements mesurés sont acceptables ou s'ils nécessitent une intervention. Il est donc nécessaire de pouvoir prédire l'évolution des endommagements pour réaliser un véritable système de surveillance. D'autre part, la modélisation seule n'est également pas suffisante. En effet, dans le cas des chargements de service, statique ou de fatigue, les incertitudes sur les conditions aux limites et les imperfections du modèle ne sont pas négligeables. Il est donc nécessaire de recaler les modèles par des mesures. Dans le cadre de ce travail, nous proposons de réaliser un système de surveillance complet pour les stratifiés constitués de plis tissés associant la mesure de l'endommagement diffus (micro-décohésions entre fibres et matrice) et la prévision de son évolution. Nous proposons également de détecter les zones délaminées et les fissures complètes de stratifié. La mesure de l'impédance d'un transducteur piézoélectrique est utilisée pour caractériser un délaminage. Pour cela un modèle électromécanique, basé sur la théorie des stratifiés, est développé pour des structures poutres présentant un délaminage. Ce modèle est validé par des résultats expérimentaux et il est ensuite utilisé pour caractériser le délaminage par calcul inverse. La mesure d'impédance est également utilisée pour déterminer un niveau d'endommagement diffus. En particulier, l'influence de ce type d'endommagement sur les fréquences de résonance et l'amortissement est étudiée. Une méthode ultrasonore basée sur la propagation d'ondes de Lamb est employée pour détecter les macro-endommagements (fissure complète de stratifié et délaminage). Une confrontation entre des simulations éléments finis et des résultats expérimentaux nous ont permis de mieux comprendre les phénomènes d'interaction entre les ondes et le défaut.

L’objectif de cet projet est la conception, réalisation et caractérisation d’un actionneur / capteur piézoélectrique piézorésonant destiné à la mesure du vieillissement de la peau humaine. L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdask, Département Génie Electrique et Automatique. Un concept d’actionneur / capteur pour la caractérisation des propriétés mécaniques des tissus mous a été présenté. Un actionneur piézoélectrique résonant, appelé "unimorphe" a été choisi parmi les différentes structures piézoélectriques fondées sur le cahier des charges. L'innovation du projet réside dans l'intégration de la méthode d'indentation dynamique en utilisant un unimorphe comme dispositif d'indentation. Ceci permet l'utilisation d'un certain nombre de propriétés électromécaniques favorables des transducteurs piézo-électriques. Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Le chapitre 1 présente la thèse et ses objectifs. Le chapitre 2 présente le phénomène piézoélectrique et les applications piézoélectriques dans les domaines de la médecine et de la bio ingénierie. Le chapitre 3 décrit le cahier des charges pour le transducteur développé. Le choix du transducteur unimorphe est ainsi justifié. Le chapitre 4 présente une description analytique du transducteur unimorphe, y compris les calculs de déformations statiques, la description du circuit équivalent de Mason, et la description des conditions de contact entre la sonde d'indentation et les matériaux testés. Le chapitre 5 contient l'analyse numérique du transducteur unimorphe en utilisant le modèle virtuel MEF. Les résultats de simulations statiques et modales sont décrits par deux géométries considérées du transducteur. Le chapitre 6 décrit le processus de vérification expérimentale des modèles analytiques et numériques développés pour le transducteur unimorphe. Enfin, le dernier chapitre comprend des conclusions générales concernant les résultats de recherche obtenus, ainsi que les travaux futurs possibles. Afin de vérifier la thèse d'un cycle complet de recherche a été effectuée, qui a couvert: étude analytique, l'analyse numérique (simulations MEF), réalisation de prototype, et la vérification expérimentale des actionneurs / capteurs piézoélectriques considérés. / The main goal of the dissertation was following: preparation of a new concept, implementation and analysis of the piezoelectric resonant sensor/actuator for measuring the aging process of human skin. The research work has been carried out in the framework of cooperation between the INP-ENSEEIHT-LAPLACE, Toulouse, France, and at the Gdansk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Group of Power Electronics and Electrical Machines, Gdask, Poland. A concept of transducer for the characterization of mechanical properties of soft tissues was presented. The piezoelectric resonant, bending transducer, referred to as “unimorph transducer” was chosen from different topologies of piezoelectric benders based on the fulfillment of the stated requirements. The innovation of the project lies in the integration of the dynamic indentation method by using a unimorph as an indentation device. This allows the use of a number of attractive electromechanical properties of piezoelectric transducers. The thesis is divided into seven chapters. Chapter 1 states the thesis and goals of the dissertation. Chapter 2 presents piezoelectric phenomenon and piezoelectric applications in the fields of medicine and bioengineering. Chapter 3 describes the requirements for the developed transducer. The choice of unimorph transducer is justified. Chapter 4 presents an analytical description of the unimorph transducer, including the calculations of static deformations, equivalent circuit description, and description of the contact conditions between the transducer and the tested materials. Chapter 5 contains the numerical analysis of the unimorph transducer using FEM virtual model. Results of static and modal simulations are described for two considered geometries of the transducer. Chapter 6 describes the experimental verification process of analytic and numerical models developed for unimorph transducer. The final chapter includes general conclusions concerning obtained research results and achievements, as well as possible future works. In order to verify the proposition of the thesis a full research cycle was carried out, that covered: analytical study, numerical analysis (FEM simulations), prototype realization, and experimental verification of the considered (developed) piezoelectric sensor/actuator structures.

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : * rendre l'aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; * réduire les coûts de maintenance ; * alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d'éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l'effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avioniques. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de " monitoring " ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques extraites d'ATR72 et des structures sandwichs en matériaux composites. Différentes solutions d'intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l'architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d'intéret. Une nouvelle vision de l'électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation " universelle " de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès.

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : - rendre l’aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; - réduire les coûts de maintenance ; - alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d’éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion, délaminages etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l’effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avions. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de « monitoring » ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques métalliques et des structures en matériaux composites simples/sandwichs extraites d’avions Airbus et ATR. Différentes solutions d’intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l’architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d’intéret. Une nouvelle vision de l’électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation « universelle » de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès / Structural health monitoring (SHM) is certainly one of the key technologies required to provide the safety and the reliability of future aviation. Based on non-destructive testing, current on the ground periodical structural integrity inspections showed their limit as evidenced by the Columbia tragedy. For the time being, structural health monitoring technology has reached a good technology readiness level (TRL). However, the integration of these solutions into future aerospace vehicle will require advanced and innovative system architecture. Further, improved SHM techniques and alleged assessment algorithm will be necessary to ensure an embedded integration, as well as to fully exploit their sensing capability. For now, most of high critical embedded systems are based on federate architectures, where each calculator is dedicated to a specific function and to a unique kind of sensor. By consequence, the integration on the field of conventional SHM solutions is highly difficult due to the scale and the weight of the global electronics systems. Based on a fully reconfigurable micro-system, I propose in this thesis, a novel SHM approach that combines into a unique System on Chip: • Sensors instrumentation and interfacing using reconfigurable analog circuits• Signal management and conditioning using reconfigurable digital electronics • Heath diagnostic assessment algorithms using an embedded CPUBased on elastic guided waves and electromechanical impedance analysis, the presented solution is capable through piezoelectric sensors to detect different kinds of abnormal events such as impacts. Moreover, using advanced wavelet transform and signature comparison algorithms, the system is also capable to detect mechanical damages such as corrosion, cracks or delaminations ; no matter if the probed structure is in simple composite, honeycomb composite or metallic alloy. The feasibility was proven using multiples specimens directly extracted from Airbus and ATR airplanes. To cover large areas, the system is fully scalable and accepts a hardware upgrade through multiple communication ports and protocols. Moreover, the versatility of inputs/outputs interface allows the exploitation of multiple sensors in order to locate and triangulate flaws