Les enjeux économiques et sécuritaires majeurs portant sur l'évaluation de la pérennité des systèmes de précontrainte dans les ouvrages d'art conduisent au développement de nouvelles méthodes d'auscultation. Ces travaux représentent la contribution du LGCgE au programme national de recherche ANR ACTENA sur l'auscultation des câbles tendus non-accessibles. Les objectifs de ce travail sont la détermination du tracé des câbles de précontrainte et la détection des zones de défauts d'injection par thermographie infrarouge active. Le premier chapitre rappelle le contexte de cette étude, ainsi que les travaux antérieurs. L'introduction d'un mode de chauffage par induction conduit à une indétermination sur la présence éventuelle de défaut. Afin de lever cet artefact, le deuxième chapitre introduit une méthode originale de traitement fréquentiel des thermogrammes bruts basée sur une approche systémique dans le domaine fréquentiel. Une modélisation par éléments finis des spécimens expérimentaux permet d'étudier la diffusion et d'élaborer les paramètres expérimentaux. Le troisième chapitre expose les résultats expérimentaux obtenus sur trois spécimens de poutres. La procédure de traitement fréquentiel est appliquée aux séries de thermogrammes bruts obtenus. Les résultats sont discutés et mettent en avant l'intérêt des images de phase. Une approche quantitative est appliquée aux résultats de thermographie infrarouge dans le quatrième chapitre. La méthode d'inversion présentée permet la détermination de la diffusivité thermique du béton d'enrobage ainsi que son épaisseur. / The economical and security aspects of the durability of the prestressed concrete construction works lead to develop new non destructive testing methods. This work was developed within the framework of the ANR ACTENA French research project. The main arms are to contribute to the localization of prestressed tendon ducts or rebars and also to the detection of the poor filling defects. The context of this study and previous works are described in the chapter I. The introduction of an inductor heating provides a non uniformity of the heating. In order to avoid any misinterpretation of thermograms, a frequential method based on transfer functions is proposed in chapter II. A 3D numerical model of the experimental specimens is performed by finite element method. Chapter III shows experimental results for three concrete beam specimens. The frequential procedure is applied to the raw thermograms. The results are discussed and highlighted the interest of phase images. A quantitative approach is applied to infrared thermographical results in the chapter IV. Finally, an inverse method is proposed and allowed to the determination of thermal diffusivity and the thickness of the cover concrete.

Au cours des dernières années, l’essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l’origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s’avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d’industrialisation à grande échelle. C’est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s’inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d’endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d’un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d’une méthodologie d’analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d’endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique. / Over the last few years, considerable effort has gone into the study of the failure mechanisms and reliability of MicroElectroMechanical Systems (MEMS). MEMS performance and reliability are affected by many parameters, such as the complex physical interactions between thermo-mechanical deformation, current flow, high power actuation and contact heating. In particular, temperature is a key issue for the design of a low loss and reliable MEMS. In order to improve device reliability it is essential to understand the thermal behaviours of RF-MEMS under standard or harsh current conditions. In this work, we present a new approach to investigate the failure mechanism of MEMS. An original set-up has been developed to localise and measure the heat loss of MEMS during actuation. Thermal characterization has been performed using infrared thermography to investigate the thermal sensitivity of MEMS. A brand new infrared bench was developed for temperature distribution measurement. An infrared camera, operating in the 1,5 - 5 µm bandwidth, was coupled to a new specific optic to reach an enhanced spatial resolution better than 2 µm/pixel. This work presents several results obtained on different advanced RF-MEMS including RF-MEMS switches where failure mechanism had been diagnosed.

La mesure de champs de température sans contact est un paramètre clé pour l'optimisation et le contrôle des procédés. Les systèmes actuels présentent des limitations, particulièrement sur des surfaces hétérogènes et/ou dans des conditions dynamiques pouvant entraîner une altération de la surface. Ces restrictions sont causées par la méconnaissance de l'émissivité de la surface qui est une fonction complexe de nombreuses grandeurs physiques (température, longueur d'onde, rugosité, direction de détection). La thèse présentée propose le développement complet d'une nouvelle méthode de mesure de champs de température vraie, dénommée THERMOREFLECTOMETRIE, applicable sur tout type de matériaux opaques, dans la gamme [300-1000]°C. Elle permet la mesure en ligne de l'émissivité par le couplage d'une étape classique de THERMOGRAPHIE avec une étape de REFLECTOMETRIE laser. La démarche adoptée consiste premièrement en l'analyse critique de la méthode et de ses facteurs d'influence, ainsi que du dimensionnement optimal des éléments par des études en simulations. Ensuite un prototype opérationnel est mis en oeuvre et ses défauts sont caractérisés, du point de vue d'un système de type CAMERA, et les corrections nécessaires sont mises en place. Enfin, les performances expérimentales sont évaluées sur des scènes thermiques complexes et hétérogènes qui mettent en évidence la bonne précision du prototype pour tous les échantillons testés / True temperature field measurement is a key parameter for the optimization and the control of industrial processes. Current systems present limitations, especially on heterogeneous surfaces and/or in dynamical conditions involving the surface's variation. These restrictions are due to the ignorance of the surface's emissivity, which is a complex function of many physical quantities (temperature, wavelength, roughness, direction of detection). This thesis presents the complete development of a new method of true temperature field measurement, called Thermoreflectometry, applicable on any kind of opaque material, in the range [300-1000]°C. It allows the on-line measurement of emissivity by mixing a step of classical THERMOGRAPHY with a step of laser REFLECTOMETRY. The approach of this work is, first, the critical analysis of the method and its influence quantities, and then the optimal dimensionment of the components by simulation studies. Thirdly, a prototype is built and its defaults are characterized, following a CAMERA-based point of view, and the possible corrections are implemented. Finally, the experimental performances are estimated on some complex heterogeneous thermal scenes which emphasize the prototype's precision for all the tested samples

Les ultrasons (US) thérapeutiques sont devenus un sujet d'intérêt croissant en ophtalmologie. Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) pour le traitement du glaucome et pour la délivrance de médicaments dans l'oeil sont les deux principaux domaines de recherche dans ce domaine. Cette thèse traite des deux sujets en deux parties distinctes : l'administration de médicaments ou drug delivery par d'ultrasons (USDD) à travers la sclère et la caractérisation par rayonnement infrarouge (IR) d'un dispositif HIFU ophtalmique pour le traitement du glaucome. Bien que plus perméable que la cornée, l'administration de médicaments efficace à travers la sclère reste un réel challenge. Dans ce travail, nous avons évalué l'effet d'une propagation d'us en mode pulsé sur l'administration de médicaments à travers la sclère. Parmi les mécanismes sous-jacents, la cavitation semble être un contributeur à une USDD renforcée. L'activité maximale de cavitation sous-jacente à une émission d'ultrasons en mode pulsé peut donc être une méthodologie viable pour l'amélioration de l'administration de médicaments à travers l'oeil. Dans la deuxième partie de la thèse, une nouvelle méthode de caractérisation ultrasonore de terrain a été développée pour un dispositif HIFU multi-éléments. Ce dispositif médical développé par Eyetechcare est destiné au traitement du glaucome réfractaire (Rillieux -la-pape, France). Une alternative basée sur la thermographie par infra-rouge a été développée pour une évaluation rapide et qualitative de la distribution d'intensité émise spécifiquement par ce dispositif à haute fréquence (19-21 mhz) constitué de multiéléments à focalisation en ligne. Cette méthodologie permettra de caractériser les sondes de thérapie à l'échelle industrielle / Therapeutic ultrasound has become a topic of growing interest in ophthalmology. High intensity focused ultrasound (HIFU) for the treatment of glaucoma and ultrasound (US) drug delivery are the two main areas of research in this field. This work addresses these domains in two separate parts: transscleral ultrasound drug delivery (USDD), and infrared (IR) field characterization of an ophthalmic HIFU device for glaucoma treatment. The sclera is a promising pathway for ocular drug delivery, since transscleral administration can address both the anterior and posterior segments of the eye. Due to the low permeability however, efficient drug delivery is challenging. In this study, HIFU was investigated as a potential modality for an enhanced transscleral drug delivery (in vitro). Among US effects, cavitation was shown to be the major contributor to an enhanced USDD. A pulsed US protocol designed to maximum cavitation activity may therefore be a viable method for enhancing ocular drug delivery. In the second part, a new method of ultrasonic field characterization was developed for a multi-element HIFU device. This system is designed and produced for glaucoma treatment by Eyetechcare Company (Rillieux-la-Pape, France). The traditional hydrophone method for field characterization was prohibitively slow on an industrial scale. An alternative modality for rapid qualitative assessment of the intensity distribution based on infra-red (IR) thermography was developed specific to this high frequency (19-21 MHz) device with line-focus US radiators. The second part of the study was aimed to expand the application of a R&D technique for ultrasonic field characterization to an industrial scale

L’étude de l’ébullition transitoire est un enjeu important pour la sureté nucléaire. Un tel phénomène peut se produire lors d’un accident de type RIA (Reactivity Initiated Accident)dans un réacteur nucléaire où le pic de puissance au niveau d’un crayon de combustible peut déclencher une ébullition transitoire conduisant à une forte augmentation de la température de la gaine et à un risque de rupture. Plusieurs études en conditions réacteurs ont permis d’obtenir des courbes d’ébullition transitoires mais la modélisation qui en découle manque encore de fiabilité. Dans le cadre d’une collaboration avec l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN), une expérience modèle a été construite à l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT). Elle génère un écoulement de réfrigérant HFE7000 dans un canal de section semi-annulaire, simulant l’écoulement autour d’un crayon de combustible, dont la partie intérieure, composée d’une feuille de métal, est chauffée rapidement par effet Joule, simulant l’échauffement de la gaine du crayon. La thermographie infra-rouge permet de mesurer la température de la paroi externe du métal. L’application d’une peinture noire sur le métal augmente son émissivité mais aussi la résistance thermique de la paroi. La précision de la mesure de la température d’intérêt a été optimisée en fonction de l’épaisseur de peinture et une correction sur le bilan d’énergie prend en compte ce paramètre. Ces mesures sont couplées avec une caméra rapide qui permet de visualiser les régimes d’ébullition et d’obtenir des tailles de bulles à l’aide de la mise en place d’algorithmes de traitement d’image. On représente sur un diagramme flux-température les transferts thermiques lors des différents régimes en stationnaire et en transitoire. Chaque régime d’ébullition, en conditions stationnaire ou transitoire, est alors passé en revue : la convection, le déclenchement de l’ébullition, l’ébullition nucléée, la crise d’ébullition, l’ébullition en film et le remouillage. Les régimes stationnaires sont correctement modélisés par des corrélations usuelles. La convection transitoire est caractérisée sur toute la paroi et son évolution se rapproche de la solution quasistationnaire. Il est montré que les transferts thermiques lors du passage vers l’ébullition nucléée sont dépendants de la formation d’une importante poche de vapeur qui se propage sur la paroi. Une étude locale de cette propagation est alors nécessaire. Afin de simuler des transitoires de température durant l’ébullition nucléée, un système d’asservissement de type P.I.D. permet d’imposer des créneaux ou des rampes de températures (de 5 à 500 K.s 1 ). Les résultats en ébullition nucléée sont conformes avec ceux de la littérature, tant en conditions stationnaire que transitoire. L’expérience permet d’étudier le transfert de chaleur lorsqu’un film de vapeur se forme et isole la paroi. Ce régime d’ébullition en film, pendant la chauffe ou le refroidissement de la paroi peut ainsi être stabilisée pendant plusieurs secondes avec ce système. On caractérise ainsi les conditions de déclenchement de l’ébullition en film, la dynamique de sa propagation et les transferts une fois établi. Enfin, l’implémentation des caractéristiques physiques de notre expérience dans le code SCANAIR de l’IRSN, permet de commencer à calculer et comparer nos résultats expérimentaux avec les simulations numériques. Des calculs de conduction instationnaire sont notamment considérés en imposant la température mesurée pour analyser nos résultats lors du régime de convection et après le déclenchement de l’ébullition.

Le soudage par friction linéaire du bois permet de joindre deux pièces en bois en quelques secondes sans utiliser aucun adhésif. L'adhésion est essentiellement due à l'enchevêtrement des fibres de bois bloquées dans une matrice de matériel inter-cellulaire fondu et re-durcit. Mais le mécanisme de la formation de l'interface adhérente, l'influence des paramètres machine et de ceux du substrat sont peu connus. <br />L'objectif de ce travail a donc été d'analyser les différents facteurs influençant les caractéristiques du joint pour comprendre les mécanismes physiques et chimiques mis en jeu lors du processus. La mesure de la température de soudage par thermographie infrarouge a apporté de multiples informations. D'autre part les pièces de bois soudées ont été caractérisées par des observations microscopiques, mécaniques, une étude du comportement à la rupture, des analyses chimiques de l'interface et des fumées. Les résultats ont permis d'élaborer un scénario physico-chimique du développement de la microstructure interfaciale et de le vérifier. Un premier modèle numérique thermique a été élaboré pour le soudage linéaire de Fagus sylvatica. <br />La dernière partie de l'étude concerne la compréhension de l'influence du substrat. Ceci a permis d'aborder les problèmes de variabilité issus de l'essence de bois, de l'anatomie du bois ou encore de l'état de surface. Les bois modifiés et des produits dérivés du bois ont pu être soudés avec succès. <br />Enfin les résultats de la recherche on pu être mis en application à une échelle pré-industrielle soulevant ainsi de nouvelles problématiques scientifiques et techniques mais aussi montrant un grand potentiel d'optimisation de la technologie.

Ce document décrit une partie de mes travaux de recherche effectué entre 2002 et 2010 au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées dans les domaines de la sécurité routière et des ouvrages d'art. Le premier domaine concerne la vision à travers les milieux diffusants. L'objectif est de proposer des dispositifs de surveillance du réseau routier ou d'aide à la conduite en situations météorologiques dégradées (pluie, neige, brouillard, fumée, etc.). Je présente les phénomènes physiques limitant la vision dans le brouillard et des dispositifs permettant de répondre à cette problématique. Le second domaine traite de l'auscultation des structures d'ouvrages d'art par des techniques non destructives. Deux exemples sont présentés, l'un tiré des travaux sur l'auscultation des composites collés en surface du béton et l'autre concernant l'auscultation des conduits de précontrainte extérieure. Pour chacun des sujets, je présente les dispositifs et les méthodes mis en oeuvre. Les résultats de modélisation numériques sont comparés aux mesures expérimentales.

La rectification est un procédé de fabrication indispensable à la réalisation de pièces nécessitant des états de surface de qualité. C'est aussi un des procédés les plus complexes car il fait intervenir de nombreux domaines de la physique dont les interactions sont aujourd'hui encore mal maitrisées. Ainsi, plusieurs endommagements (brûlures, fissures,...) générés par le contact de la meule sur la pièce usinée peuvent apparaître. Ces phénomènes liés aux apports d'énergie thermique et mécanique de la meule à la pièce ont des origines diverses (transformations métallurgiques, dilatation ...). Dans un souci d'optimiser ou d'améliorer la productivité du procédé de rectification, la mesure, la compréhension et la prédiction de ces phénomènes sont alors nécessaires. Dans ces travaux, de nombreux axes de recherche autour du procédé de rectification sont traités. L'utilisation de techniques actuelles comme la mesure de température par thermographie ou de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X a permis de déterminer de nouveaux modèles expérimentaux. Ces résultats montrent notamment le faible effet de la lubrification sur la température maximale atteinte pendant le procédé. La prédiction des endommagements passe ensuite par la simulation par éléments finis du procédé. Face aux différents chargements thermodynamiques présents au niveau du contact entre meule et pièce, une approche globale est utilisée couplée avec une méthode inverse sur les résultats expérimentaux. L'originalité est également apportée par la prise en compte numérique des transformations métallurgiques ce qui s'est révélé comme indispensable pour une modélisation proche de la réalité.

Le contexte industriel de la thèse est de comprendre et modéliser la sollicitation thermique des disques de frein de TGV afin d'en déduire l'endommagement en surface. Pour les quatre types de garnitures commerciales utilisées, l'endommagement se traduit par l'apparition rapide d'un réseau de faïençage superficiel, qui peut conduire, dans certains cas, au développement d'une fissure macroscopique. L'étude procède en trois étapes : i) connaître les chargements thermiques subis par le disque, en fonction des caractéristiques de la garniture utilisée ; ii) déterminer les champs de contrainte et déformation au cours de freinages types ; iii) analyser leur criticité eu égard aux risques de faïençage et fissuration. Pour cela, une nouvelle campagne sur banc d'essai à l'échelle 1 a été menée en portant une attention particulière sur les mesures thermiques. D'un point de vue modélisation numérique, des modèles 2D et 3D du disque sont utilisés pour la simulation de cercles chauds ou de points chauds. La sollicitation thermomécanique est analysée pour les différents types de garniture, soit à partir de champs thermiques simplifiés, soit à partir des films thermographiques issus des essais. Enfin, un modèle complet du système de freinage complet est utilisé pour mettre en évidence les paramètres de la garniture influant sur la localisation du flux thermique et la répartition de pression de contact. Des études paramétriques sont alors menées pour dégager l'influence des paramètres physiques et mécaniques des garnitures, et proposer dans une démarche prédictive des voies d'amélioration dans la conception de nouvelles garnitures moins préjudiciables vis-à-vis des risques de fissuration.

Le lien empirique entre rupture par fatigue à grand nombre de cycles et essai d'auto-échauffement permet de prévoir rapidement les caractéristiques de fatigue de nombreux matériaux depuis quelques années. Au delà de cette relation empirique, un modèle rationnel basé sur l'apparition probabiliste de foyers de microplasticité a déjà été proposé, donnant une estimation de la dispersion des essais de fatigue. Fort de ceci, le cadre d'application de ce modèle est ici étendu aux chargements multiaxiaux dans un premier temps. Pour cela des essais d'auto-échauffement de traction-torsion sur éprouvettes tubulaires sont réalisés pour valider thermiquement deux versions du modèle. Un facteur d'hétérogénéité de dissipation est introduit pour s'affranchir de la géométrie des éprouvettes. L'influence de la contrainte moyenne de cisaillement sur les courbes d'auto-échauffement est étudiée. Des essais de fatigue multiaxiale différencient par la suite le domaine de validité des deux versions du modèle. Dans un second temps les effets de surface sur tôle sont étudiés par essai d'auto-échauffement. La mesure de la température moyenne des tôles ne permettant pas de retrouver les caractéristiques de fatigue, une mesure du champ de température dans l'épaisseur de la tôle est proposée. L'ensemble du protocole de mesure par micro-thermographie IR in situ est choisi afin de réduire voire supprimer différents artefacts. Il permet de mesurer des amplitudes d'hétérogénéité de température stabilisée de l'ordre de 10-3 K à une échelle submillimétrique. Appliqué aux tôles étudiées, il permet de mettre à jour l'existence d'effets de surface.