Différents modèles sont développés de façon à constituer des outils génériques pour la simulation de méthodes de contrôle non-destructif par ondes élastiques guidées de plaques métalliques ou composites. Diverses méthodes de contrôle de ces structures existent ou sont à l’étude. La plupart font appel à des sources ultrasonores de taille finie ; toutes sont confrontées aux phénomènes de réflexion résultant de la taille finie des objets contrôlés. Les modèles développés traitent des phénomènes de diffraction associés aux sources et de réflexion sur un bord de plaques. Comme l’interprétation des signaux mesurés lors de contrôle par ondes guidées fait souvent appel à la notion de modes guidés, les modèles sont eux-mêmes modaux. Les cas de plaques isotropes (métalliques) et anisotropes (composites multicouches) sont considérés ; une approche générale suivant l’approximation de la phase stationnaire permet de traiter tous les cas d’intérêt. Pour les premiers, la validité d’une approximation de type Fraunhofer permet de traiter très efficacement les champs directs et réfléchis rayonnés par une source. Pour les derniers, une attention particulière est portée sur le traitement des caustiques. La méthode de la phase stationnaire étant difficile à généraliser, un modèle de pinceau, de nature plus géométrique, est proposé présentant un haut degré de généricité. Il met en cascade des termes de propagation en milieu isotrope ou anisotrope et d’interaction avec une frontière. L’équivalence de la méthode de la phase stationnaire au modèle de pinceau est démontrée pour le rayonnement et la réflexion dans une plaque isotrope, cas faisant l’objet d’une validation expérimentale. / Different models are developed to provide generic tools for simulating nondestructive methods relying on elastic guided waves applied to metallic or composite plates. Various inspection methods of these structures exist or are under study. Most of them make use of ultrasonic sources of finite size; all are sensitive to reflection phenomena resulting from the finite size of the monitored objects. The developed models deal with transducer diffraction effects and edge reflection. As the interpretation of signals measured in guided wave inspection often uses the concept of modes, the models themselves are explicitly modal. The case of isotropic plates (metal) and anisotropic (multilayer composites) are considered; a general approach under the stationary phase approximation allows us to consider all the cases of interest. For the first, the validity of a Fraunhofer-like approximation leads to a very efficient computation of the direct and reflected fields radiated by a source. For the second, special attention is paid to the treatment of caustics. The stationary phase approximation being difficult to generalize, a model (so-called “pencil model”) of more geometrical nature is proposed with a high degree of genericity. It chains terms of isotropic or anisotropic propagation and terms of interaction with a boundary. The equivalence of the stationary phase approximation and the pencil model is demonstrated in the case of the radiation and reflection in an isotropic plate, for which an experimental validation is proceeded.

Nous proposons deux méthodes pour calculer le spectre des ondes de cisaillement dans les cristaux phononiques (CP) 1D et 2D. Commençant notre étude par les CP 1D, nous développons la méthode des impédances scalaires pour la couche sur le substrat 1D.Le focus principal de ce travail est sur les CP 2D : en particulier, on considère la couche sur le substrat 2D, la plaque à conditions libres 2D et la couche entre les deux substrats 2D. Comme la matrice propagateur M à travers la cellule unitaire obtenue via l’expansion des ondes planes dans une coordonnée peut avoir des composants très grandes, notre approche consiste à la substituer par sa résolvante R= (zI−M)−1qui est numériquement stable (où z est un nombre complexe hors des pecM). Deux autres outils centraux définis par la résolvante, le projecteur spectral P de t propagateur Md pour les ondes évanescentes, entrent en jeu pour le cas des CP avec un substrat. La méthode de la résolvante, fournissant les équations de dispersion et du champ d’ondes en termes de R,P de tMd, a de multiples avantages. Elle est d’une bonne précision grâce à la solution exacte dans une coordonnée, efficace grâce à la réduction du problème à une seule cellule unitaire, même pour un substrat semi-infini, et polyvalente, puisque applicable pour les structures uniformes ou périodiques à 1D ou 2D. De plus, la méthode peut être généralisée aux CP à 3D et aux ondes vectorielles.Dans les exemples numériques, nous calculons les bandes d’arrêt de basse fréquence et les comparons avec les profils de symétrie axiale et les profils perturbées. / We propose two methods for calculating the shear waves spectra in 1D and 2D phononiccrystal (PC) wave guides. Starting this study with 1D PC, we consider the 1D-periodic coated substrate. Here we develop scalar impedance method providing efficient means for analysis and calculation of dispersion spectrum. The main focus of our work in on the 2D PC’s: the 2D PC layer on a substrate, the freePC plate and the PC plate sandwiched between two substrates.Since the propagator Mover a unit cell approximated by Fourier harmonics in one coordinate can have very large components, we introduce its resolvent R= (zI−M)−1(z is a complex number outside of specM) as a numerically stable substitute. Another two key tools given in terms of there solvent, a spectral projector Pd and propagator Md for the decreasing modes, come intoplay in the case of a wave guide with a substrate. The resolvent method providing simple dispersion and wave field equations in termsof R,Pd and Md has several advantages. It is of a good precision due to the exact solution in one direction, computationally cheap due to the reduction of the problem to one unitcell even in a semi-infinite substrate, and versatile since it is applicable to uniform, 1D- or 2D-periodic structures. More over, it is extendible to P/SVwaves and 3D PC.In numerical examples, we model low-frequency band gaps and compare them for the mirror-symmetric and perturbed profiles.

CE TRAVAIL A LA FOIS METHODOLOGIQUE ET EXPERIMENTAL CONCERNE L'IMAGERIE SISMIQUE DE HAUTE RESOLUTION DE STRUCTURES GEOLOGIQUES ASSOCIEES AUX RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE. L'OBJET DE CE TRAVAIL EST DE DEVELOPPER ET APPLIQUER, SUR DES SITES SELECTIONNES, DE NOUVELLES METHODES D'INVESTIGATION SISMIQUE EXPLOITANT LA DENSITE DES CAPTEURS ET LA MOBILITE DES SOURCES SISMIQUE ACTIVES. CE TRAVAIL EST DE PLUS EN ETROITE RELATION AVEC LE RECENT DEVELOPPEMENT DU RESEAU SISMIQUE-SISMOLOGIQUE, IMAGERIE DE HAUTE RESOLUTION. <br />NOTRE TRAVAIL FAIT PARTIE D'UN PROJET DONT L'OBJECTIF EST EN PARTICULIER D'ETUDIER LE VOLCAN DE LA SOUFRIERE DE GUADELOUPE DANS LE BUT DE PREDIRE SON COMPORTEMENT FUTUR. NOUS NOUS SOMMES FOCALISES SUR UNE EXPERIENCE PRELIMINAIRE D'IMAGERIE HAUTE RESOLUTION D'UN EDIFICE VOLCANIQUE SITUE DANS LE CHAINE DES PUYS EN AUVERGNE DANS LE BUT DE PREPARER UNE CAMPAGNE DE PLUS GRANDE ENVERGURE AUX ANTILLES. NOS TRAVAUX APPORTENT DES INFORMATIONS PRIMORDIALES POUR LA MODELISATION DE LA DYNAMIQUE D'UNE ERUPTION ET DONC POUR LA PREVENTION DES RISQUES VOLCANIQUES.<br />NOUS NOUS INTERESSONS PAR AILLEURS A LA CARACTERISATION SISMIQUE DES FAILLES SISMOGENES ET ETUDIONS LA FAILLE NORD-ANATOLIENNE EN TURQUIE. NOUS AVONS MENE UNE CAMPAGNE DE SISMIQUE REFLEXION A TRAVERS CETTE FAILLE. NOS TRAVAUX PRESENTENT DEUX PRINCIPALES APPLICATIONS, LA CONTRAINTE DES MODELES DE RUPTURE DE FAILLE ET L'EVALUATION DU RISQUE SISMIQUE ACCRU DANS LES ZONES DE FAILLE.<br />CE TRAVAIL NOVATEUR CONFIRME LA PUISSANCE DE LA SISMOLOGIE ACTIVE BASEE SUR L'UTILISATION DE RESEAUX DENSES DE CAPTEURS ET DE SOURCES. CE TRAVAIL CONSTITUE UN APPORT CRUCIAL POUR L'EVALUATION DES RISQUES VOLCANIQUE ET SISMIQUE.

Une technique de Contrôle Non Destructif (CND) a été développée, permettant la génération et la détection d’ondes de Lamb guidées le long de grandes plaques constituées de différents matériaux (métal, polymère ou composite renforcé par des fibres). Basée sur l’emploi de nombreux éléments étroitement couplés à la plaque, cette technique d’inspection diffère du Structural Health Monitoring (SHM) classique car tous les éléments émetteurs ou récepteurs sont regroupés dans une zone très localisée, définie par la surface active d’une sonde multiélément matricielle, et ne sont pas fixés de manière permanente et distribuée au sein, ou en surface, de la structure testée. De plus, le principe (connu) du déphasage entre éléments est appliqué à la sonde pour la génération et la réception d’un mode de Lamb pur dans (ou provenant) de multiples directions le long de la plaque. Les lois de retards appliquées à ces éléments, aussi bien lorsque la sonde fonctionne en mode émission qu’en mode réception, prennent en compte la nature dispersive de l’onde de Lamb. Enfin, un traitement de signal spécifique est appliqué pour compenser la dispersion subie par les ondes guidées au cours de leur propagation le long de la pièce testée. Un prototype expérimental et sa modélisation par éléments finis sont présentés, ainsi que les mesures et les résultats simulés de ses performances en termes de sélectivité modale et de directivité angulaire. Concernant les applications de CND, la construction d’images, représentatives de toutes les parties de la pièce testée qui diffractent le mode guidé (bord de pièce, défauts, trous, raidisseurs, etc.), a permis de démontrer le potentiel (et quelques limites) de cette technique vis-à-vis d’une inspection rapide de grandes structures, y compris de zones éloignées de la sonde ou encore de zones difficiles d’accès. / A technique of Non-Destructive Testing (NDT) was developed for the generation and detection of Lamb waves propagating along large plates made of different materials (metal, polymer or fibre-reinforced composite). Based on the use of many elements closely coupled to the plate, this inspection technique differs from the classic Structural Health Monitoring (SHM) because all the transmitters or receivers are grouped in a very localized area, defined by the active surface of a phased array matrix probe, and are not permanently attached and distributed within or on the surface of the test structure. In addition, the principle (known) of the phase shift between the elements is applied to the probe for generating and receiving a pure Lamb mode in (or from) multiple directions along the plate. The delay laws applied to these elements, in transmit mode or receive mode, take into account the dispersive nature of the Lamb wave. Finally, a specific signal processing is applied to compensate the dispersion suffered by the guided waves during their propagation along the test piece. An experimental prototype and its finite element modeling are presented, as well as measurements and simulation results of its performances in terms of modal selectivity and angular directivity. For NDT applications, the construction of images, representing all parts of the test piece, which diffract the guided mode (edges, defects, holes, stiffeners, etc.), has demonstrated the potential (and some limits) of this technique for a quick inspection of large structures, including areas remote from the probe or areas difficult to access.

Les systèmes SHM (Structural Health Monitoring) basés sur la propagation d’ondes ultrasonores guidées sont utilisés pour des structures de grandes dimensions, par exemple dans les secteurs de l’aéronautique ou du génie civil. Les ondes de Lamb ou SH sont généralement employées car elles se propagent sur de longues distances dans des structures planes tout en sondant l’épaisseur des pièces. Cependant, des modes moins conventionnels se propagent dans les guides d’ondes de section droite finie, tels que les barreaux, les rails ou les tuyaux. Le nombre de modes peut être très élevé dans ce type de guide, et il est important de bien sélectionner un mode particulier.Les méthodes actuelles de sélectivité modale, basées sur l’emploi de plusieurs émetteurs,considèrent habituellement des éléments PZT identiques (même sensibilité, même réponse en fréquence...) et ne prennent pas en compte les conditions réelles de montage et leurs éventuelles imperfections (couplage variable entre traducteurs, mauvais alignement, différence de réponse de l’électronique...). Ce travail présente une méthodologie générale pour la sélectivité modale dans des guides à section droite finie, à l’aide de plusieurs éléments piézoélectriques disposés à leur surface. Cette sélectivité est basée sur la mesure expérimentale préalable, à l’aide d’un vibromètre laser 3D, des amplitudes des modes générés par chaque élément excité individuellement.Une procédure d’optimisation permet d’inverser le problème afin de maximiser l’amplitude du mode désiré, alors obtenue en excitant simultanément tous les émetteurs. Le problème à inverser requiert la connaissance des courbes de dispersion ainsi que des déformées modales des modes,obtenues en utilisant la méthode SAFE 2D. La méthodologie est testée à travers des simulations numériques et des mesures expérimentales sur un barreau d’aluminium de section rectangulaire instrumenté avec huit éléments PZT à sa surface. L’efficacité de la méthode pour générer différents modes purs, mais aussi pour détecter et localiser des défauts calibrés, est démontrée sur le barreau d’aluminium. Son fort potentiel pour des applications de SHM de structures plus complexes est étudié, tels qu’un rail ou un assemblage collé de matériaux composites. / SHM systems (Structural Health Monitoring) based on ultrasonic guided waves propagation are used for large structures, e.g. in Aerospace or Civil Engineering. Lamb or SH waves are usually employed as they propagate over long distances in plate-like structures while probing the entire thickness. However less conventional modes propagate in wave guides with finite crosssection,such as bars, rails or pipes. The number of modes can be very high even at low frequencyin this type of guide, and it is important to carefully select a specific mode. Current methods for modal selectivity, based on the use of several emitters, usually consider identical PZT elements(same sensitivity, same frequency response, etc.) and do not account for real experimental conditions and possible differences (variable coupling between transducers, flawed alignment,variable electronic response, etc.). This work presents a global methodology for modal selectivity in waveguides with finite cross-section, using several piezoelectric elements attached to their surface. This selectivity is based on experimental measurements, with a 3D laser vibrometer,of the amplitudes of the modes generated by each emitter. An optimization process allows to inverse the problem in order to maximize the amplitude of the desired mode, then generated by exciting all the emitters at once. This process requires knowing dispersion curves as well as the displacements of the various modes, calculated with SAFE 2D method. The methodology is tested through numerical simulations and experiments on an aluminium rectangular bar instrumented with 8 PZT elements on top. The method efficiency to generate different pure modes,and to detect and locate calibrated defects, is demonstrated for the aluminium bar. Its potential for SHM application of more complex structures is studied, like a rail or an adhesively bonded composite structure.

Cette thèse propose une étude originale de la propagation d'ondes acoustiques dans un guide d'ondes. La méthode consiste à factoriser l'équation des ondes grâce à la technique du plongement invariant: on introduit dans le domaine une frontière mobile, correspondant à une section du guide, et on résout le problème pour la partie du guide comprise entre cette section et une de ses faces. Cela permet d'obtenir un système couplé d'équations différentielles et de faire apparaître un opérateur de type Dirichlet-to-Neumann, solution d'une équation de Riccati. On étudie alors celui-ci à l'aide d'une formule de représentation: l'opérateur est semblable à un semi-groupe linéaire par une transformation homographique.

Le contrôle non destructif (CND) par émission acoustique (EA) est utilisé dans un grand nombre de domaines tels l'énergie nucléaire, le secteur pétrolier et gazier, le génie civil ou l'industrie mécanique afin de vérifier l'intégrité des structures sous contrainte. Selon le rapport entre la longueur d'onde et l'épaisseur de la structure, l'énergie libérée par un défaut sous contrainte peut se propager sous forme d'ondes guidées (cas des structures minces) ou sous forme d'onde de Rayleigh (cas des structures épaisses). L'analyse des signaux issus de cette méthode ultrasonore " passive " présente des difficultés liées principalement à la complexité des signaux typiquement mesurés. L'objectif de la thèse est de développer des modèles permettant la simulation d'expériences de CND par EA dans le cas des structures épaisses ou minces. Les modèles développés sont basés sur un couplage entre un modèle de source d'EA, un modèle de propagation des ondes et un modèle de capteur d'EA. Dans le cas des structures épaisses, deux modèles 2D (concernant le contrôle de pièces de surface plane et cylindrique) et un modèle 3D (surface plane) ont été développés afin de prédire le signal correspondant à l'onde de Rayleigh émise par un défaut sous contraintes. Concernant les structures minces, un modèle 2D a été développée permettant de prédire le signal correspondant aux modes guidés émis par une fissure sous contrainte. Plusieurs études paramétriques ont été menées afin de définir l'influence des différentes données d'entrée des modèles sur les signaux d'EA et ainsi aider à l'interprétation des contrôles par EA.

Ce travail de thèse porte sur l'analyse et le traitement des signaux ultrasonores pour la caractérisation de l'os cortical. La première partie est dédiée à l'analyse des signaux acquis par un prototype de sonde de transmission axiale à 1 MHz. Nous montrons qu'une contribution arrivant après le premier signal présente un intérêt pour la caractérisation ultrasonore de l'os cortical. En effet, cette contribution évaluée sur des radius humains in vitro est associée à une onde de flexion propagée dans l'os qui est dépendante de l'épaisseur corticale. L'analyse de cette contribution a nécessité le développement d'une technique de séparation d'ondes. Cette contribution étant plus basse fréquence que le premier signal et associée à un mode de propagation différent, nous montrons ainsi qu'une analyse plus poussée du signal peut permettre une approche multi-modes/multi-fréquences. Dans une seconde partie, nous montrons l'intérêt de l'évaluation de l'atténuation ultrasonore pour la caractérisation de l'os cortical. Lors d'une étude expérimentale in vitro sur des échantillons corticaux bovins, nous montrons la dépendance d'un paramètre d'atténuation aux propriétés osseuses et à la micro-structure. De plus, ce paramètre semble plus sensible aux propriétés osseuses que ne l'est la vitesse de l'onde longitudinale. Ainsi, l'atténuation évaluée en complément de la vitesse pourrait permettre de caractériser de manière plus complète l'os cortical

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'une sonde ultrasonore afin d'obtenir des nouveaux biomarqueurs de l'os cortical et améliorer la prédiction du risque de fracture. Notre approche se base sur la mesure des ondes guidées ultrasonores dans l'os cortical. La technique de transmission axiale bidirectionelle a été utilisée pour mesurer les modes guidées se propageant dans l'enveloppe corticale des os longs (i.e., le radius). Les propriétés matérielles et structurelles liées à la résistance osseuse ont été obtenues à partir des courbes de dispersion en utilisant un schéma d'inversion. Ainsi, un problème inverse totalement automatique, basé sur une optimisation par algorithmes génétiques et un modèle 2D de plaque libre transverse isotrope, a été développé. Cette procédure d'inversion a d'abord été testée sur des matériaux contrôlés avec des propriétés connues. Puis, la faisabilité d'obtenir des propriétés corticales sur des radii ex vivo a été montrée. Ces estimations ont été validées par comparaison avec des valeurs de référence obtenues avec des techniques indépendantes telles que la micro-tomodensitométrie par rayons X (épaisseur, porosité) et la spectroscopie par résonance ultrasonore (élasticité). Un bon accord a été trouvé entre les valeurs de référence et les estimations d'épaisseur, de porosité et d'élasticité. Enfin, la méthode a été étendue à des mesures in vivo. La validité du modèle en présence de tissus mous a d'abord été démontrée. Puis, les propriétés osseuses ont été obtenues sur des sujets sains. Un bon accord a été trouvé entre l'épaisseur estimée et les valeurs de référence obtenues par tomodensitométrie périphérique haute résolution. / We aimed at developing new ultrasound-based biomarkers of cortical bone to enhance fracture risk prediction in osteoporosis. Our approach was based on the original concept of measuring ultrasonic guided waves in cortical bone. The bi-directional axial transmission technique was used to measure the guided modes propagating in the cortical envelope of long bones (i.e., the radius). Strength-related structural and material properties of bone were recovered from the dispersion curves through an inversion scheme. To this goal, a fully automatic inverse problem based on genetic algorithms optimization, using a 2-D transverse isotropic free plate waveguide model was developed. The proposed inverse procedure was first tested on laboratory-controlled measurements performed on academic samples with known properties. Then, the feasibility of estimating cortical properties of ex vivo radius specimens was assessed. The inferred bone properties were validated by face-to-face comparison with reference values determined by a set of independent state-of-the art technologies, including X-ray micro-computed tomography (thickness, porosity) and resonance ultrasound spectroscopy (stiffness). A good agreement was found between reference values and estimates of thickness, porosity and stiffness. Lastly, the method was extended to in vivo measurements, first, by ensuring the validity of the waveguide model in presence of soft tissues to demonstrate the feasibility of measuring experimental dispersion curves in vivo and infer from them bone properties. Estimated cortical thickness values were consistent with actual values derived from high resolution peripheral computed tomography.

La Dégénérescence Maculaire Liée à l’Age (DMLA) affecte actuellement plus d’un million de malades en France et concernera 288 millions de personnes dans le monde en 2040. Cette pathologie du sujet âgé est à l’origine d’un handicap fonctionnel majeur, source de perte d’autonomie et de dépendance. Malgré une forte prévalence, les performances posturales et oculomotrices des sujets atteints de DMLA restent peu étudiées et beaucoup d’interrogations sont à ce jour sans réponse. Ce projet de recherche comporte deux parties pour lesquelles nous avons utilisé différents dispositifs : les plateformes de force TechnoConcept® et Framiral®, le Mobile eyeBRAIN tracker EBT2®, et la tablette connectée Metrisquare®. Dans un premier temps, nous avons examiné l’impact de la DMLA unilatérale versus bilatérale sur le contrôle postural en comparaison avec des sujets sains âgés (Etude I), pour permettre de mettre en évidence le bénéfice de la rééducation posturale chez cette population de malades (Etudes II et III). Dans un second temps, nous avons étudié l’oculomotricité des sujets atteints de DMLA à travers leurs performances de saccades visuellement guidés et de lecture, afin de rééduquer ces mêmes performances via des exercices oculomoteurs et visuo-attentionnels (Etude IV, V et VI). En objectivant les mouvements oculaires ainsi que le déplacement du centre de pression chez les sujets atteints de DMLA uni- et bilatérale, en comparaison avec des sujets sains du même âge, nous avons cherché à confirmer notre hypothèse : le déficit visuel des sujets atteints de DMLA, à l’origine d’une malvoyance, entraine la mise en place de mécanismes adaptatifs qui, grâce à une rééducation adaptée, permettent de réduire les restrictions fonctionnelles posturales et oculomotrices. In fine, ces travaux apportent des solutions pour mieux prévenir et rééduquer ces déficits fonctionnels, grâce à des outils innovants qui permettront d’optimiser la prise en charge. / Nowadays, age-related macular degeneration (AMD) affects more than one million of people in France and will concern 288 million of people in the world in 2040. This pathology impacts elderly and generates a serious functional disability which causes autonomy loss and dependance. Despite the high prevalence, the postural and oculomotor performances of AMD subjects are little studied and there are still lot of questions without answers. This research project is composed by two parts and used different experimental techniques: TechnoConcept® and Framiral® force plateforms, Mobile eyeBRAIN tracker EBT2®, and Metrisquare® digital tablet. Firstly, we examined the impact of unilateral versus bilateral AMD in postural control, compared with healthy elderly (Study I), in order to evidence the benefits of postural training in these groups (Studies II and III). Secondly, we studied the oculomotor pattern in AMD subjects during visually guided saccades and reading tasks, to improve their performance with oculomotor and visuo-attentional exercises (Studies IV, V and VI). By objectifying eye movements as well as the displacement of center of pressure in unilateral and bilateral AMD subjects, compared with healthy age-matched controls, we want to confirm our hypothesis: the visual impairment of AMD subjects, which causes low vision, leads to the implementation of adaptive mechanisms that, through appropriate training, reduce postural and oculomotor functional restrictions.In fine, this research provides specialists with solutions to prevent and train these functional deficits with novator techniques, in order to optimize the coverage.