Les techniques de contrôle non-destructif s'appuyant sur des traducteurs ultrasons multi-éléments sont maintenant de plus en plus utilisées dans l'industrie. Ces traducteurs offrent en effet de nombreux avantages, en particulier une polyvalence d'utilisation et une adaptabilité à des configurations complexes. De plus des techniques d'acquisition avancées, telle que la Full Matrix Capture, permettent d'avoir accès à des données beaucoup plus riches et complètes que celles fournies par les techniques conventionnelles, offrant ainsi de nouvelles possibilités en terme de localisation et de caractérisation de défauts. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de mettre en œuvre des méthodes d'imagerie et de reconstruction adaptées aux diverses acquisitions multi-éléments possibles. Pour cela, nous proposons différentes méthodes dérivées de l'approche dite de focalisation synthétique. Ces méthodes s'appuient sur des modèles directs développés au CEA LIST et implémentés dans la plateforme CIVA. Ces derniers peuvent, en outre, prendre en compte les configurations de contrôle complexes, notamment en ce qui concerne l'état de surface -irrégulier- des pièces inspectées. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la localisation de diffracteur quasi-ponctuel. Sous cette hypothèse, nous avons évalués les performances des méthodes proposées lorsqu'elles sont appliquées à différents types d'acquisitions. La suite des travaux s'est recentrée sur l'étude de la Full Matrix Capture couplée à l'algorithme dit de " Focalisation en Tous Points (FTP) ", cette combinaison ayant montré de bonnes performances en terme de localisation. Dans un second temps, nous avons prolongé notre approche à la reconstruction de défauts étendus et à la prise en compte de trajets ultrasonores multiples. En particulier, nous avons appliqué la généralisation de l'algorithme FTP à la localisation et à la caractérisation d'entaille proche du fond de la pièce à l'aide d'échos de coin, échos dus à des réflexions successives de l'onde ultrasonore sur le fond et le défaut. Les différentes méthodes envisagées dans ces travaux ont été appliquées avec des données simulées ainsi qu'avec des mesures expérimentales.

Les techniques de contrôle non-destructif s’appuyant sur des traducteurs ultrasons multi-éléments sont maintenant de plus en plus utilisées dans l’industrie. Ces traducteurs offrent en effet de nombreux avantages, en particulier une polyvalence d’utilisation et une adaptabilité à des configurations complexes. De plus des techniques d’acquisition avancées, telle que la Full Matrix Capture, permettent d’avoir accès à des données beaucoup plus riches et complètes que celles fournies par les techniques conventionnelles, offrant ainsi de nouvelles possibilités en terme de localisation et de caractérisation de défauts. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de mettre en œuvre des méthodes d’imagerie et de reconstruction adaptées aux diverses acquisitions multi-éléments possibles. Pour cela, nous proposons différentes méthodes dérivées de l’approche dite de focalisation synthétique. Ces méthodes s’appuient sur des modèles directs développés au CEA LIST et implémentés dans la plateforme CIVA. Ces derniers peuvent, en outre, prendre en compte les configurations de contrôle complexes, notamment en ce qui concerne l’état de surface -irrégulier- des pièces inspectées. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la localisation de diffracteur quasi-ponctuel. Sous cette hypothèse, nous avons évalués les performances des méthodes proposées lorsqu’elles sont appliquées à différents types d’acquisitions. La suite des travaux s’est recentrée sur l’étude de la Full Matrix Capture couplée à l’algorithme dit de « Focalisation en Tous Points (FTP) », cette combinaison ayant montré de bonnes performances en terme de localisation. Dans un second temps, nous avons prolongé notre approche à la reconstruction de défauts étendus et à la prise en compte de trajets ultrasonores multiples. En particulier, nous avons appliqué la généralisation de l’algorithme FTP à la localisation et à la caractérisation d’entaille proche du fond de la pièce à l’aide d’échos de coin, échos dus à des réflexions successives de l’onde ultrasonore sur le fond et le défaut. Les différentes méthodes envisagées dans ces travaux ont été appliquées avec des données simulées ainsi qu’avec des mesures expérimentales. / Techniques for nondestructive testing based on ultrasonic phased array probe are now increasingly used in industry. These probes offer many advantages, in particular use versatility and adaptability to complex configurations. More advanced acquisition techniques, such as “Full Matrix Capture”, provide access to collection of data richer and more complete than those provided by conventional techniques, offering so new possibilities in terms of localization and characterization of defects. The work of this thesis aims to implement imaging and reconstruction methods for various operating modes of UT array inspection. For this, we propose different methods derived from the so-called synthetic focusing. These methods rely on forward models developed at CEA LIST and implemented in the CIVA software platform. These models can also take into account the complex inspection configurations, especially in regard to the -irregular- surface inspected parts. At first, we were interested in locating point-like scatterer. Under this hypothesis, we evaluated the performance of the proposed methods when they are applied with different types of inspection operating mode. Next work has been refocused on the study of the Full Matrix Capture coupled to the algorithm called Focalisation en Tous Points (FTP), this combination has shown good performance in terms of defect localization. In a second step, we generalized our approach to extended defects and multiple ultrasonic paths. In particular, we applied the latest FTP algorithm to the localization and characterization of notch near the bottom of the part with corner echoes, echoes due to successive ultrasonic wave reflections on the bottom and defect. The different methods considered in this work have been applied with both simulated data and experimental measurements.

Le but de cette thèse est d'étudier la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux présentant des diffuseurs allongés, et plus particulièrement les alliages de titane comportant des macrozones. Cette étude est menée à l'aide d'un dispositif expérimental constitué d'un transducteur multi-éléments linéaire en rotation autour de son axe, piloté par une électronique multivoie programmable. Le champ rétrodiffusé par un milieu à diffuseurs allongés présente une cohérence spatiale anisotrope et nous montrons que l'intensité rétrodiffusée par un tel milieu dépend de l'orientation du transducteur dans le plan perpendiculaire à la direction d'insonification. Cette dépendance permet de déterminer la direction d'élongation des macrozones, leur taille caractéristique, et de réduire le bruit de structure lors d'un contrôle ultrasonore. Une cartographie en trois dimensions de la direction locale des macrozones est ainsi réalisable en employant deux faisceaux ultrasonores focalisés en un même point selon deux directions différentes. Afin de déterminer le régime de diffusion aux fréquences usuelles de contrôle, nous avons développé, à partir des travaux de thèse d'Alexandre Aubry (UPMC 2008), un indicateur du niveau de diffusion multiple : l'estimateur de la proportion de diffusion simple. Il permet de démontrer que la diffusion multiple est importante dans les alliages de TA6V et Ti17. Nous avons de plus étendu cette méthode au cas d'interfaces eau/solide complexes suffisamment régulières. Enfin, nous proposons une nouvelle visualisation des résultats de simulations de forge permettant d'observer la direction réelle des macrozones et de mieux concevoir les plans de contrôle. / This manuscript is devoted to the study of ultrasonic wave propagation in complex media composed of elongated scatterers, and specifically titanium alloys comprising macrozones. This study is carried out using a linear phased array probe rotating around its axis and driven by a multi-channel programmable amplifier. The ultrasonic field backscattered by elongated scatterers presents an anisotropic spatial coherence and we show that the intensity backscattered by such a medium depends on the angle between scatterers elongation direction and the orientation of the probe in the plane perpendicular to the insonified direction. This dependence allows to determine the macrozones elongation direction and size, and to reduce the structural noise during a non-destructive evaluation. A three dimensional cartography of local elongation direction of macrozones is achievable by using two beams focused at the same point but with different directions of incidence. In order to assess the scattering regime at conventional testing frequencies, we developed a multiple scattering measure: the single scattering proportion estimator, based on Alexandre Aubry’s PhD thesis (UPMC 2008). Applied on TA6V and Ti17 alloys, it showed strong multiple scattering. We further extended this estimator to the case of water/solid complex interfaces. Lastly, we proposed a new visualization of forging simulation results, allowing to directly observe the real macrozones elongation direction and to better design inspection procedures.

Les objectifs principaux de la géomodélisation sont la représentation et la compréhension du sous-sol. Les structures géologiques ont un rôle important pour comprendre et prédire son comportement physique. Nous avons défini un modèle géologique comme étant composé d'un ensemble de structures et de leurs connexions. Les maillages sont des supports numériques servant à résoudre les équations modélisant la physique du sous-sol. Il est donc important de construire un maillage représentant un modèle géologique afin de prendre en compte l'impact de ces structures dans les phénomènes du sous-sol. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de maillage volumique pour les modèles géologiques. Nous proposons une méthode de génération de maillages non structurés volumiques permettant de construire deux types de maillages : un maillage tétraédrique et un maillage hex-dominant (c'est-à-dire composé de tétraèdres, prismes à base triangulaire, pyramides à base quadrilatérale et hexaèdres). Cette méthode génère dans un premier temps un maillage tétraédrique qui peut respecter différents types de données : (1) un modèle géologique défini par frontières afin de capturer les structures dans le maillage volumique, (2) des trajectoires de puits représentées par un ensemble de segments, (3) une propriété de taille d'éléments afin de contrôler la longueur des arêtes des éléments et (4) un champ de directions pour contrôler des alignements de sommets/éléments dans le maillage afin de favoriser certaines caractéristiques comme des éléments possédant des angles droits. Dans un deuxième temps, ce maillage tétraédrique peut être transformé en un maillage multi-éléments. La méthode reconnaît des relations combinatoires entre tétraèdres permettant l'identification de nouveaux éléments comme les prismes, les pyramides et les hexaèdres. Cette méthode est ensuite utilisée pour générer des maillages aux caractéristiques spécifiques correspondant à une application donnée afin de limiter les erreurs lors du calcul numérique. Plusieurs domaines d'applications sont considérés tels que les simulations géomécaniques, d'écoulements et de propagation d'ondes sismiques. / The geomodeling main goals are to represent and understand the subsurface. The geological structures have an important role for understanding and predicting its physical behavior. We defined a geological model as a set of structures and their connections. The meshes are numerical supports to solve the equations modeling the subsurface physics. So it is important to build a mesh representing a geological model to take into account the impact of these structures on the subsurface phenomena. The objective of this thesis is to develop volumetric meshing methods for geological models. We propose a volumetric unstructured meshing method to build two mesh types: an adaptive tetrahedral mesh and an hex-dominant mesh (i.e. made of tetrahedra, triangular prisms, quadrilateral pyramids and hexahedra). This method generates first a tetrahedral mesh that can respect different types of data: (1) a geological model defined by its boundaries to capture the structures in the volumetric mesh, (2) well paths represented as a set of segments, (3) a mesh size property to control the mesh element edge length and (4) a direction field to control vertex/element alignments inside the mesh to increase some features such as elements with right angles. Then, this tetrahedral mesh can be transformed in a mixed-element mesh. The method recognizes combinatorial relationships between tetrahedra to identify new elements such as prisms, pyramids and hexahedra. This method is then used to generate meshes whose features correspond to a given application in order to reduce errors during numerical computation. Several application domains are considered such as geomechanical, ow and wave propagation simulations.

L’objectif de cette thèse était de concevoir, fabriquer, et tester des transducteurs ultrasonores multi – éléments pour des applications en environnements sévères. Dans ce contexte, des techniques de caractérisation des matériaux ont été développées afin d’adapter la conception des transducteurs en fonction des contraintes de l’environnement, et plus particulièrement la température. Deux types de conceptions ont été étudiées selon les applications visées : La première application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs dans des réacteurs de génération IV (refroidi au sodium liquide) lors d’un arrêt de tranche. Dans ce cas, l’environnement sévère était caractérisé par une température de 200 °C, et la présence de sodium liquide. Des radiations pouvaient également être présentes. Pour cette application, un transducteur (nommé LiNa) sous la forme d’un projecteur ultrasonore linéaire de 20 éléments, fonctionnant à 2.5MHz a été fabriquée, puis testé en eau et en sodium liquide. La seconde application consistait à développer un transducteur ultrasonore permettant de réaliser des contrôles non destructifs en contact de pièces massives en cours de soudage. Une pièce massive est par exemple une cuve de réacteur nucléaire. Ce transducteur permet de détecter des défauts dans une soudure très rapidement après sa réalisation, et ainsi corriger directement cette dernière, sans attendre que les pièces soient refroidies. Pourcette application, un transducteur (nommé MaCo) sous forme de matrice 8 × 8 éléments, fonctionnant à 5MHz a été développé, et caractérisé de la température ambiante, jusqu’à 240 °C. Avec ce capteur, Avec ce capteur, des échos en ondes transversales ont été obtenus jusqu’à la température limite, sans refroidissement. / The goal of this thesis was to design, fabricate and test phased arrays ultrasonic transducers for harshenvironment applications. In this context, characterization methods were developed in order to adapt transducerdesign to the environment. We designed two types of ultrasonic phased array transducers according to theconsidered application:The first application aimed at developping an ultrasonic transducer for non destructive testing in IVth generationnuclear reactors (cooled with liquid sodium) during reactor outages. In this case, the harsh environment wascharacterized by a temperature of 200 °C, and the presence of liquid sodium. Radiations could also be present.For this application, a 20 elements 2.5MHz immersion linear projector (called LiNa) was fabricated then testedunder water and under liquid sodium.The second application aimed at developping an ultrasonic transducer in order to realize non destructive testingin contact with massive pieces during welding. A massive piece for example is a tank for nuclear plant reactor.The transducer will permit to quickly detect defects in a weld after its realization, and then correct it directlyif necessary, without waiting for the pieces to cool down at ambient temperatures. For this application,a 64elements 5MHz matrix transducer (named MaCo) were developed and tested from ambient to 240 °C. Thetransducer worked up to the limit temperature without any cooling system, and some typical defects weredetected.

Cette thèse porte sur l'étude d'une méthode de type Galerkin discontinu en domaine temporel (GDDT), afin de résoudre numériquement les équations de Maxwell instationnaires sur des maillages hybrides tétraédriques/hexaédriques en 3D (triangulaires/quadrangulaires en 2D) et non-conformes, que l'on note méthode GDDT-PpQk. Comme dans différents travaux déjà réalisés sur plusieurs méthodes hybrides (par exemple des combinaisons entre des méthodes Volumes Finis et Différences Finies, Éléments Finis et Différences Finies, etc.), notre objectif principal est de mailler des objets ayant une géométrie complexe à l'aide de tétraèdres, pour obtenir une précision optimale, et de mailler le reste du domaine (le vide environnant) à l'aide d'hexaèdres impliquant un gain en terme de mémoire et de temps de calcul. Dans la méthode GDDT considérée, nous utilisons des schémas de discrétisation spatiale basés sur une interpolation polynomiale nodale, d'ordre arbitraire, pour approximer le champ électromagnétique. Nous utilisons un flux centré pour approcher les intégrales de surface et un schéma d'intégration en temps de type saute-mouton d'ordre deux ou d'ordre quatre. Après avoir introduit le contexte historique et physique des équations de Maxwell, nous présentons les étapes détaillées de la méthode GDDT-PpQk. Nous réalisons ensuite une analyse de stabilité L2 théorique, en montrant que cette méthode conserve une énergie discrète et en exhibant une condition suffisante de stabilité de type CFL sur le pas de temps, ainsi que l'analyse de convergence en h (théorique également), conduisant à un estimateur d'erreur a-priori. Ensuite, nous menons une étude numérique complète en 2D (ondes TMz), pour différents cas tests, des maillages hybrides et non-conformes, et pour des milieux de propagation homogènes ou hétérogènes. Nous faisons enfin de même pour la mise en oeuvre en 3D, avec des simulations réalistes, comme par exemple la propagation d'une onde électromagnétique dans un modèle hétérogène de tête humaine. Nous montrons alors la cohérence entre les résultats mathématiques et numériques de cette méthode GDDT-PpQk, ainsi que ses apports en termes de précision et de temps de calcul.

Cette thèse étudie les propriétés de l'opérateur de propagation des ondes ultrasonores en milieu aléatoire. Le dispositif expérimental consiste en un réseau multi-éléments placé en vis-à-vis d'un milieu désordonné. L'opérateur de propagation est donné par la matrice des réponses inter-éléments mesurées entre chaque couple de transducteurs. En s'appuyant sur la théorie des matrices aléatoires, le comportement statistique de cet opérateur a été étudié en régime de diffusion simple et multiple. Une cohérence déterministe des signaux est ainsi mise en évidence en régime de diffusion simple, cohérence qui disparaît dès que la diffusion multiple prédomine. Cette différence de comportement a permis la mise au point d'un radar intelligent séparant les échos simplement et multiplement diffusés. On peut ainsi extraire l'écho direct d'une cible échogène enfouie dans un milieu hautement diffusant, bien que ce dernier soit source de diffusion multiple et d'aberration. Une deuxième approche consiste, au contraire, à extraire une contribution de diffusion multiple noyée dans une contribution de diffusion simple largement prédominante. L'étude de l'intensité multiplement diffusée permet de mesurer des paramètres de transport (p.ex. la constante de diffusion D) caractérisant la propagation de l'onde multiplement diffusée. Un passage en champ lointain (ondes planes) permet d'obtenir une mesure fiable de D en étudiant le cône de rétrodiffusion cohérente. Un passage en champ proche, via l'utilisation de faisceaux gaussiens, permet d'effectuer des mesures locales de D en étudiant la croissance du halo diffusif. Cette approche a été appliquée au cas de l'os trabéculaire humain autour de 3 MHz.

Cette thèse étudie les propriétés de l'opérateur de propagation des ondes ultrasonores en milieu aléatoire. Le dispositif expérimental consiste en un réseau multi-éléments placé en vis-à-vis d'un milieu désordonné. L'opérateur de propagation est donné par la matrice des réponses inter-éléments mesurées entre chaque couple de transducteurs. En s'appuyant sur la théorie des matrices aléatoires, le comportement statistique de cet opérateur a été étudié en régime de diffusion simple et multiple. Une cohérence déterministe des signaux est ainsi mise en évidence en régime de diffusion simple, cohérence qui disparaît dès que la diffusion multiple prédomine. Cette différence de comportement a permis la mise au point d'un radar intelligent séparant les échos simplement et multiplement diffusés. On peut ainsi extraire l'écho direct d'une cible échogène enfouie dans un milieu hautement diffusant, bien que ce dernier soit source de diffusion multiple et d'aberration. Une deuxième approche consiste, au contraire, à extraire une contribution de diffusion multiple noyée dans une contribution de diffusion simple largement prédominante. L'étude de l'intensité multiplement diffusée permet de mesurer des paramètres de transport (p.ex. la constante de diffusion D) caractérisant la propagation de l'onde multiplement diffusée. Un passage en champ lointain (ondes planes) permet d'obtenir une mesure fiable de D en étudiant le cône de rétrodiffusion cohérente. Un passage en champ proche, via l'utilisation de faisceaux gaussiens, permet d'effectuer des mesures locales de D en étudiant la croissance du halo diffusif. Cette approche a été appliquée au cas de l'os trabéculaire humain autour de 3 MHz