Ce manuscrit présente une méthode d’imagerie quantitative et sans état de référence, de défauts de corrosion d’une plaque mince, exploitant de manière passive un réseau embarqué de capteurs d’ondes élastiques guidées. Les applications visées sont le contrôle santé intégré (SHM) de structures critiques qui amènent de fortes contraintes à la fois d’intrusivité des capteurs et de fiabilité du diagnostic. Une solution prometteuse, permettant de multiplier la densité de points de mesure sans augmenter l’intrusivité du système, est offerte par les réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG). Toutefois, contrairement aux transducteurs piézoélectriques (PZT) classiquement employés en SHM, les FBG ne permettent pas d’émettre d’ondes élastiques. L’idée consiste à utiliser des méthodes dites « passives » permettant de retrouver la fonction de Green entre deux capteurs à partir du bruit ambiant, naturellement présent dans la structure, mesuré simultanément entre ces deux capteurs. Nous étudions dans ce manuscrit deux méthodes passives : la corrélation de bruit et le filtre inverse passif. Nous verrons que ce dernier a plus de potentiel lorsqu’il est couplé à l’imagerie par tomographie. Différents algorithmes de tomographie sont évalués par simulation numérique puis lors d’expériences comparatives actives et passives à l’aide d’un réseau de PZT. Afin de rendre la tomographie passive robuste, nous présentons une méthode clé de détection de temps de vol, basée sur une représentation temps-fréquence. Enfin, nous décrivons une première démonstration expérimentale de mesures passives par FBG qui laisse à penser que la tomographie passive par FBG est prometteuse. / This manuscript presents a baseline-free quantitative method for the imaging of corrosion flaws present in thin plates. This method only requires an embedded guided waves sensors network in a fully passive way. The field ofapplications are Structural Health Monitoring (SHM) of critical structures with heavy constrains on both sensors intrusiveness and diagnostic reliability. A promising solution allowing to increase the number of measurement points without increasing the intrusiveness of the system is provided by the Fiber Bragg Gratings (FBGs). However, unlike piezoelectric transducers generally used in SHM, the FBGs cannot emit elastic waves. The idea consists in using passive methods in order to retrieve the Green function from elastic diffuse fields - naturally present in structures - measured simultaneously between two sensors. In this manuscript, two passive methods are studied: the ambient noise correlation and the passive inverse filter. It is shown that the latter gives better results when coupled with tomography. Several tomography algorithms are assessed with numerical simulations and then applied to active and passive datasets measured by a PZT network. In order to make passive tomography robust, a time of flight identification method is proposed, based on a time-frequency representation. Finally, a novel experimental demonstration of passive measurements with FBGs only is presented, suggesting high potential for FBGs passive tomography.

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

[ES] En la actualidad, una gran cantidad de infraestructuras están compuestas de forma parcial o total de materiales cementicios, siendo el hormigón uno de los materiales cementicios más antiguos y utilizados en la construcción debido a su bajo coste, durabilidad y características mecánicas y estructurales. Pese a sus características, estos materiales están expuestos a diversas condiciones adversas del entorno y sufren procesos de deterioro que afectan a su integridad y seguridad. El reconocimiento de la integridad y seguridad en las estructuras cementicias ha implicado una extensa investigación y el desarrollo de diversas pruebas para verificar su calidad y estado. Mediante la destrucción de una muestra extraída de la estructura, en el caso de los ensayos destructivos (ED), o mediante la inspección de la estructura sin necesidad de dañarla o alterar sus propiedades, en el caso de los ensayos no destructivos (END). Existen multitud de técnicas END que tratan de caracterizar estas estructuras sin dañarlas, siendo la inspección mediante ultrasonidos una de las más utilizadas en materiales cementicios. Tradicionalmente estas técnicas ultrasónicas se basan en el estudio de las ondas longitudinales (P) y transversales (S), que permiten caracterizar una estructura mediante la realización de múltiples medidas. Sin embargo, existe otro tipo de ondas, formadas por la superposición de los desplazamientos de las partículas de las ondas P y S denominadas ondas guiadas, las cuales permiten inspeccionar una estructura de forma global a partir de una única medida, además de ser capaces de propagarse a grandes distancias manteniendo una buena relación señal-a-ruido en comparación a las ondas P y S. Dentro de las ondas guiadas más utilizadas para inspeccionar materiales cementicios, se encuentran las ondas de Rayleigh y las ondas de Lamb. Las ondas de Rayleigh se propagan en estructuras de gran espesor, mientras que las ondas de Lamb se propagan en placas. Las ondas de Lamb presentan una naturaleza dispersiva y multimodal. Su naturaleza dispersiva implica que las velocidades de fase y grupo de estas ondas depende de la frecuencia, mientras que la naturaleza multimodal implica que existen cada vez más modos de propagación conforme aumenta la frecuencia de excitación. Se pueden excitar y detectar selectivamente los distintos modos de Lamb mediante la incidencia oblicua, es decir, variando la inclinación del transmisor y el receptor. Para ello, existen distintas técnicas de acoplamiento que permiten la incidencia oblicua, como el acoplamiento por cuñas sólidas, el acoplamiento por agua y el acoplamiento por aire. La presente tesis se ha centrado en el estudio de nuevas técnicas de END basadas en ondas guiadas para caracterizar diferentes tipos de daño en los materiales cementicios. Para ello, se han llevado a cabo un número considerable de medidas experimentales basadas en distintas técnicas de acoplamiento para la generación y captación de ondas guiadas. Inicialmente se han analizado materiales homogéneos como los metales, para, posteriormente, utilizar el conocimiento adquirido en dichos materiales y estudiar materiales más heterogéneos como los cementicios. Se han evaluado diferentes tipos de técnicas de acoplamiento junto con diferentes tipos de transductores. Los materiales cementicios se han inspeccionado mediante ondas guiadas ultrasónicas con dos tipos de daño: la carbonatación, estudiando el efecto con probetas de dos capas de mortero, y el envejecimiento de fibras en placas de cemento reforzado con fibra de vidrio (GRC). Se ha demostrado que las ondas guiadas son sensibles a estos daños, obteniendo resultados esperanzadores. Concretamente, las ondas de Rayleigh se han utilizado en el daño por carbonatación debido a su sensibilidad a capas superficiales de degradación, mientras que en el envejecimiento de fibras se han utilizado las ondas de Lamb, por su sensibilidad a defectos a lo largo / [CA] En l'actualitat, una gran quantitat d'infraestructures estan formades totalment o parcialment de materials cementants. El formigó és un dels materials cementants més antics i utilitzats en la construcció degut al seu preu, la seua durabilitat i les seues característiques mecàniques i estructurals. Malgrat la seua durabilitat i característiques, aquests materials estan exposats a diverses condicions adverses de l'entorn i pateixen processos de deterioració que afecten la seua integritat i seguretat. El reconeixement de la integritat i seguretat en les estructures cementants ha implicat una extensa investigació i el desenvolupament de diverses proves per a verificar la seua qualitat i estat. Mitjançant la destrucció d'una mostra de l'estructura en el cas dels assajos destructius, o mitjançant la inspecció de l'estructura sense danyar-la o alterar les seues propietats en el cas dels assajos no destructius. Existeixen multitud de tècniques d'inspecció no destructiva que tracten de caracteritzar aquestes estructures sense danyar-les. La inspecció mitjançant ultrasons és un dels assajos no destructius més utilitzats en materials cementants. Tradicionalment, aquestes tècniques ultrasòniques estan basades en l'estudi de les ones longitudinals (P) i transversals (S), que permeten caracteritzar una estructura mitjançant la realització de múltiples mesures en l'estructura. No obstant, existeixen altres tipus d'ones, formades per la superposició dels desplaçaments de les partícules de les ones P i S, denominades ones guiades, les quals permeten inspeccionar una estructura de manera global a partir d'una única mesura, a més de poder propagar-se a grans distàncies mantenint una bona relació senyal-soroll en comparació a les ones P i S. Dins de les ones guiades més utilitzades per a inspeccionar materials cementants, es troben les ones de Rayleigh i les ones de Lamb. Les ones de Rayleigh es propaguen en estructures de gran grossària, mentre que les ones de Lamb es propaguen en plaques. Les ones de Lamb presenten una naturalesa dispersiva i multimodal. La seua naturalesa dispersiva implica que les velocitats de fase i grup d'aquestes ones depenen de la freqüència, mentre que la naturalesa multimodal implica que apareguen més modes de propagació a l'augmentar la freqüència d'excitació. Es poden excitar i detectar selectivament els diferents modes de Lamb mitjançant la incidència obliqua, és a dir, variant la inclinació del transmissor i el receptor. Existeixen diferents tècniques d'acoblament que permeten la incidència obliqua, com l'acoblament per metacrilat, l'acoblament per aigua i l'acoblament per aire. Aquesta tesi s'ha enfocat en l'estudi de noves tècniques d'assajos no destructius basades en ones guiades (ones de Rayleigh i ones de Lamb) per a caracteritzar diferents tipus de dany en els materials cementants. S'han realitzat un nombre considerable de mesures experimentals basades en diferents tècniques d'acoblament per a la generació i captació d'ones guiades. Inicialment s'han analitzat materials homogenis com els metalls per a, posteriorment, utilitzar el coneixement adquirit en aquests materials i estudiar d'altres més heterogenis com els cementants. Concretament, s'han avaluat diferents tipus de tècniques d'acoblament i diferents tipus de transductors. Els materials cementants s'han inspeccionat mitjançant ones guiades ultrasòniques amb dos tipus de dany o degradació: la carbonatació, estudiant el seu efecte amb provetes de dues capes de morter, i l'envelliment de fibres en plaques de ciment reforçat amb fibra de vidre (GRC). S'ha demostrat que les ones guiades són sensibles a aquests danys, obtenint resultats esperançadors. Concretament, les ones de Rayleigh s'han utilitzat en el dany per carbonatació a causa de la seua sensibilitat a capes superficials de degradació, mentre que en l'envelliment de fibres s'han utilitzat les ones de Lamb, per la seua sensibilitat a defe / [EN] Nowadays, a large number of infrastructures are partially or wholly built with cementitious materials. Concrete is one of the oldest and most popular cementitious materials due to its low cost, durability and remarkable mechanical and structural characteristics. However, if these materials are exposed to different environments and harsh conditions, they suffer damaging processes that affect their integrity and safety. To verify their state and quality, extensive research has been conducted and several tests have been developed, such as destructive testing and non-destructive testing. Destructive testing (DT) requires a sample of the inspected structure while non-destructive testing (NDT) allows the inspection of the structure without altering its properties and without damaging it. There are several NDT techniques that characterize cementitious structures without harming them, such as ultrasonic testing, which is one of the most widely used. This technique is based on the study of longitudinal (P) and shear (S) waves, which enable the characterization of a structure by a point-by-point scan. However, there are another kind of waves, called guided waves, which are composed of the superposition of the P and S wave particle displacements. Unlike P and S waves, guided waves allow a global inspection of a structure from a single transducer position and they are able to propagate over long distances with a good signal-to-noise ratio. Rayleigh and Lamb waves are the most frequently used guided waves in NDT of cementitious materials. Rayleigh waves propagate in thick structures while Lamb waves propagate in plate-like structures. Lamb waves are dispersive (their phase and group velocities depend on frequency) and multimodal (as frequency increases, many propagation modes with different velocities exist in the received signal). Lamb wave modes can be selectively excited and detected by means of oblique incidence, i.e., by varying the inclination of the transmitting and receiving transducers. Different coupling techniques can be used to change the inclination of the transducers, such as the contact technique with angle beam wedge transducers, water coupling and air coupling. This thesis has been focused in the study of new NDT techniques based on guided waves (Rayleigh and Lamb waves) to characterize different types of damage of cementitious materials. For this goal, a significant number of experimental arrangements based on different coupling techniques have been carried out. Firstly, homogeneous materials as metals have been analized, because they are a reference in guided wave testing. After performing different experiments in metals, the acquired knowledge has been used to inspect heterogeneous materials as cementitious ones. Different coupling techniques (variable angle wedges, immersion testing, fixed angle wedges, ...) with different types of transducers (contact transducers, immersion transducers and air-coupled transducers) have been employed. Cementitious materials with two damaging processes have been inspected by means of guided waves: two-layered mortar specimens to study carbonation and glass-fibre reinforced cement (GRC) plates to study fiber ageing. This thesis demonstrates that guided waves are sensitive to these damaging processes and the obtained results are encouraging. Specifically, Rayleigh waves have been used to detect carbonation due to its sensitivity to surface layers, while Lamb waves have been used to detect fiber ageing due to its sensitivity to defects along the thickness of the GRC plates. / La investigación realizadaen esta tesis se ha financiado con las siguientes ayudas y proyectos concedidos por el gobierno español: Ayudas para contratos predoctorales para la formación de doctores 2015 (BES-2015-071958); Nuevas aplicaciones de ensayos no destructivos basados en ondas mecánicas para la evaluación de la degradación en materiales cementantes (BIA2014-55311-C2-2-P); Desarrollo y aplicación de ensayos no destructivos basados en ondas mecánicas para la evaluación y monitorización de reología y autosanación en materiales cementantes (BIA2017-87573-C2) / Vázquez Martínez, S. (2021). Nuevas técnicas de ensayos no destructivos basadas en ondas mecánicas para la valoración del daño en materiales cementicios [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165531 / TESIS