Dans cette thèse nous proposons de développer un système d’imagerie ultrasonore innovante de micro- défauts basé sur l’utilisation conjointe de techniques d’acoustique non linéaire et du concept de "transducteur à cavité chaotique". Ce transducteur correspond à la combinaison d’une céramique piézoélectrique collée sur une cavité de forme chaotique et du principe de retournement temporel. La faisabilité et les performances de ce nouveau système sont explorées par des simulations numériques. Des paramètres optimaux d’utilisation pour une implémentation expérimentale sont proposés. Une grande partie des travaux menés dans le cadre de cette thèse se concentre sur le développement d’outils numériques permettant l’amélioration de telles techniques d’imagerie. Un schéma d’éléments finis de type Galerkin Discontinu (GD) est étendu à l’élastodynamique non linéaire. Un type de zone absorbante parfaitement adaptée, appelée "Nearly Perfectly Matched Layer" (NPML) a aussi été développé. Dans le cas de matériaux orthotropes, comme des problèmes de stabilité apparaissent, un mélange de NPML et de zone atténuante, dont on contrôle la proportion respective, est introduit afin de stabiliser les NPML. Une validation expérimentale du concept de "transducteur à cavité chaotique" pour la focalisation dans un milieu solide, réverbérant ou non, en utilisant une seule source est réalisée. Les méthodes de retournement temporel et de filtre inverse sont présentées et comparées. La démonstration expérimentale qu’un "transducteur à cavité chaotique" peut être utilisé conjointement avec les méthodes d’inversion d’impulsion afin de réaliser une image de non linéarités localisées est présentée / In this thesis we propose the development of an innovative micro-damage imaging system based on a combination of Nonlinear Elastic Wave Spectroscopy techniques and “chaotic cavity transducer” concept. It consists of a combination of a PZT ceramic glued to a cavity of chaotic shape with the time reversal principle. The feasibility and capabilities of these new ideas is explored by numerical simulations, and optimal operational parameters for experimental implementation are suggested based on the modelling support. A large part of the research work conducted in this thesis is concentrated on the development of numerical simulation tools to help the improvement of such nonlinear imaging methods. A nodal Discontinuous Galerkin Finite Element Method (DG-FEM) scheme is extended to nonlinear elasto-dynamic including source terms. A Perfectly Matched Layer absorbing boundary condition well adapted to the DG-FEM scheme, called Nearly Perfectly Matched Layer (NPML), is also developed. In the case of orthotropic material as stability problems appear, a mixture of NPML and sponge layer, with a controllable ratio of these two kinds of absorbing layers, is introduced. The experimental validation of “chaotic cavity transducer” to focalize in reverberant and non-reverberant solid media with only one source is made. Classical time reversal, inverse filter and 1 Bit time reversal process are discussed and compared. The experimental demonstration of the use of a “chaotic cavity transducer”, in combination with the pulse inversion and 1-bit methods, to obtain an image of localized nonlinearity is made. This opens the possibility for high resolution imaging of nonlinear defects

Cette recherche vise à étudier l’intégration contemporaine, dans la composition et la performance, des outils technologiques et artistiques correspondant à l’état de l’art en matière d’interaction temps-réel entre production instrumentale, production numérique du son et production de formes spatio-temporelles dans le lieu d’écoute. On souhaite notamment étudier comment cette intégration pourra constituer en retour une nouvelle modalité de l’écriture où fusionnent en cohérence une écriture du son, une écriture du temps et une écriture de l’espace informées par la technologie.Les paradigmes informatiques pour la gestion du temps et de l'interaction, les outils de synchronisation de processus, l'analyse de flux sonores et gestuels, le contrôle des paramètres à partir du son instrumental, la recherche sur la question du timbre instrumental et de ses descripteurs numériques et l’interaction interprète-ordinateur forment les éléments clefs de cette recherche.L’idée principale de ce travail est centrée sur l’interaction en temps réel avec des dispositifs informatiques avancés, dans le cadre d’une écriture particulièrement virtuose, avec des aspects spécifiques de construction temporelle et spatiale, cette situation hybride influençant en retour la nature de l’écriture elle-même. Les différents thèmes relatifs à cette exploration, tels que l’écriture du son, du temps et de l’espace, sont le point de départ pour décliner et développer, selon la nature des diverses productions envisagées, les liens possibles avec d’autres disciplines artistiques. / This research project aims to study the contemporary integration, in the composition and performance, of technological and artistic tools corresponding to the state of the art in terms of real-time interaction between instrumental production, digital sound production and production of spatio-temporal forms in the listening space. In particular, we study how this integration can in turn constitute a new modality of writing in which a coherent writing of sound, a writing of time and a writing of space informed by technology do merge together in a coherent way.Computer paradigms for time and interaction management, synchronization tools, sound and gestural flow analysis, parameter control from instrumental sound, research on the issue of instrumental timbre and its digital descriptors, and interpreter-computer interaction are key elements of this research and creation work.We focus on real-time interaction with smart computer devices in a particularly virtuoso writing with specific aspects of temporal and spatial construction, this hybrid situation in turn influencing the nature of the writing itself. The various themes relating to this exploration, such as the writing of sound, time and space, are the starting point for declining and developing, according to the nature of the various productions envisaged, the possible links with other artistic disciplines.

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.

La miniaturisation est l’objectif actuel de tous les fabricants de composants radio-fréquence depuis plusieursdécennies. Si les composants actifs pour la microélectronique sont fondés sur la structuration de plaquesde silicium, les composants passifs reposent sur l’utilisation de cristaux tels que le quartz ou le niobate delithium. Ce dernier est particulièrement utilisé quand il s’agit de générer et exploiter des ondes élastiques, ainsique pour le guidage de faisceaux lumineux afin de réaliser des filtres ou des capteurs sensibles à différentsparamètres environnementaux. L’amélioration du guidage de ces ondes permet un gain en consommation et encompacité des dispositifs mais nécessite une structuration de la matière souvent tridimensionnelle. Cette étapetechnologique clé est industriellement mature pour la mise en forme du silicium, mais s’avère di_cilementtransposable à des matériaux tels que le quartz ou le niobate de lithium. Les travaux présentés dans cemanuscrit visent à réaliser des structures tridimensionnelles à hauts facteurs de forme dans des matériauxmonocristallins à l’aide d’une scie circulaire de précision. Des structures utilisant l’inversion périodique dedomaine ferroélectrique seront réalisées afin de les utiliser pour y guider des ondes élastiques possédant descouplages électromécaniques particulièrement élevées. Le guidage d’ondes optiques par le biais de ces mêmesstructures permet une amélioration du confinement par rapport aux systèmes de guidage massifs classiquescouramment utilisés pour la réalisation de filtre ou de modulateur électro-optiques. En utilisant conjointementle guidage d’ondes optiques et les domaines ferroélectriques alternés, les structures ainsi découpées permettentl’apparition de phénomènes optiques non-linéaires exaltés par l’amélioration du confinement. Ces structuresont ainsi montré leur intérêt dans plusieurs domaines de la physique avec un champ applicatif particulièrementvaste / Over the past decades, minutiarization and compacity have become a focus subject for companies specialisedin the manufacturing of radio-frequency components. Active components are typically manuafctured onsilicon wafers with well-known structuring methods. Passive ones are often manufactured on single cristalsuch as Quartz or Lithium Niobate, especially for acoustic wave generation or lightwave guiding. Theguiding of optical or acoustical waves leads to the manufacturing of sensors or filters which can be usedfor telecommunications or for the industry. Improvement in waveguiding allows for less power-consuming andmore compact devices but a 3D-structuring is usually required. This technology readness is high leveled forsilicon structuring but not for single crystals such as Lithium Niobate. This work presents the development andthe manufacturing of high aspect ratio three-dimensionnal structures in single-crystals using precise sawing.These structures show an optical waveguiding capability which allow the improvements of electro-opticmodulators or filters. Combined with a periodic reversing of Lithium Niobate polarization, these structuresallows for bulk acoustic wave generation leading to high electromechanical coupling and equivalent phasevelocity resonant modes. In non-linear optic field, this kind of structures lead to the improvement of secondharmonic generation e_ciency by reducing the cross section of waveguide. The manufactured devices in theframework of this project can actuelly be used in several domains of physic.

L’utilisation de revêtements et de couches minces déposés sur substrats est très recherchée dans de nombreuses applications. Les objectifs de ces revêtements et dépôts sont multiples (améliorer la durabilité des structures, leur résistance à l’usure et à la fatigue, etc.). D'autre part, les matériaux à gradient sont également développés en vue de répondre à de nouvelles exigences fonctionnelles, comme de meilleures tenues en température, en usure, en corrosion. Pour toutes ces applications, la caractérisation de ces revêtements et de ces matériaux à gradients, afin d’en déterminer leurs propriétés (épaisseur, constantes élastiques, adhérence, contraintes résiduelles, …etc), est déterminante pour le contrôle santé des pièces et pour leur fonctionnement optimal au cours de leur utilisation. Pour caractériser ces structures, nous avons choisi d’exploiter la dispersion des ondes de surface sur une large gamme de fréquences (10 à 60 MHz). Afin d’exciter ces ondes, des capteurs MEMS de type IDT-SAW ont été réalisés à différentes fréquences couvrant la totalité de la gamme fréquentielle considérée. L’excitation quasi-harmonique a été privilégiée dans le but d’obtenir des mesures précisesde vitesses de phase. Nous avons montré les potentialités de cette approche en caractérisant premièrement des structures à couche mince allant jusqu’à 500 nm et deuxièmement des structures amorphes à gradient de contraintes. / The use of coatings and thin layers deposited on substrates is highly sought in many applications. The objectives of these coatings and deposits are multiple (improve the durability of structures, their wear resistance and fatigue, etc.). On the other hand, gradient materials are being developed to meet new functional requirements, such as a better resistance to temperature, wear and corrosion. For all of these applications, the characterization of these coatings and gradient materials, in order to determine their properties (thickness, elastic constants, adherence, residual stresses, etc…), is decisive for the health control of pieces and for their optimum operation during their use. To characterize these structures, wechose to exploit the dispersion of surface acoustic waves over a wide frequency range (10 to 60 MHz).To excite these waves, SAW-IDT MEMS sensors have been carried out at different frequencies covering the entire frequency range we considered. The quasi-harmonic excitation was preferred to obtain accurate measures of phase velocities. We showed the potential of this approach by characterizing, first, thin layers structures (500 nm) and second, amorphous structures with a stressesgradient.

Depuis une vingtaine d'années, on assiste à l'essor de la téléphonie mobile. Ce mode de communication nécessite l'utilisation de filtres radiofréquences (RF) capables de sélectionner le signal utile à la réception comme à l'émission. La miniaturisation des téléphones a nécessité le développement de nouveaux types de filtres fondés sur l'utilisation d'ondes acoustiques et notamment les ondes de surface (SAW). Pour répondre aux enjeux modernes des filtres RF pour la téléphonie cellulaire (montée en fréquence, augmentation des puissances d'émission, réduction des dimensions), nous avons envisagé un autre type de transducteur fondé sur l'utilisation de domaines ferroélectriques alternés. En effet, des matériaux ferroélectriques tels que le niobate de lithium (LiNbO3) présentent une polarisation spontanée pouvant être inversée. De cette manière, les peignes interdigités classiquement utilisés dans les composants à ondes de surface peuvent être remplacés par des structures périodiques à domaines inversés. Ce travail de thèse a consisté à valider le principe de fonctionnement de ce nouveau type de transducteur et à prouver qu'il était possible de fabriquer des filtres à l'aide de ces Transducteurs Polarisés Périodiquement (TPPs). Une étude théorique réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation alliant calculs par éléments finis et éléments de frontière ainsi que la conception et la fabrication de ces dispositifs sont présentées. Ce type de structures à domaines inversés ayant prouvé son intérêt, d'autres objets exploitant ce principe ont été conçus et fabriqués (guides d'ondes acoustiques, dispositifs électro-optiques et dispositifs à onde isolée).

Le problème de la segmentation en mots, ou itémisation, est souvent considéré comme trivial grâce à la présence de séparateurs dans l'écriture. L'essor de l'Internet et surtout du Web a rendu disponibles des millions de documents dans une multitude de langues et généré un intérêt pour les applications multilingues, qui ont rapidement montré les limites des approches simplistes en vigueur jusqu'à présent. L'étude, d'une part, des systèmes d'analyse morphologiques (en particulier les formalismes fondés sur les états finis), et d'autre part, des applications spécialisées pour l'itémisation dans différentes langues réputées difficiles (japonais, chinois, thaï) mène à des observations contrastées. La notion même de mot, et donc le processus d'itémisation, varie grandement d'une langue à l'autre ; et s'il n'existe pas de méthode générique, surtout en l'absence de séparateurs entre les mots, des approches similaires sont employées par différents systèmes pour différentes langues. On propose de se placer au dessus de l'itémisation et de parler de segmentation de texte en général. On introduit un langage spécialisé pour la segmentation nommé Sumo (Segmentation Universelle Multiple par Ordinateur) dont la principale caractéristique est d'offrir une séparation claire entre le processus de segmentation et la ou les langues considérées. On a donc d'une part une structure de donnée dédiée, qui représente un document simultanément à différents niveaux de segmentation (en mots, en phrases, etc.) À chaque niveau correspond un graphe d'items, les unités de segmentation à ce niveau. Cette structure à étages est fondée sur les automates d'états finis pondérés. D'autre part, on définit une algèbre pour la manipulation de ces structures, comme il en existe une pour la manipulation d'automates d'états finis. En plus de cette algèbre, on dispose également d'un langage de contrôle permettant de construire des applications de segmentation sophistiquées. Un prototype expérimental de calcul à états finis pondéré réalisé en Perl est présenté, et la réalisation d'un système complet, efficace et robuste est discuté. Les applications actuelles et potentielles de Sumo sont présentées, ainsi que les perspectives de développements à venir.

Les non-linéarités associées à la propagation d'une onde acoustique fort niveau se traduisent par un phénomène d'auto-démodulation d'amplitude : lorsqu'une onde porteuse ultrasonore (onde primaire) est modulée en amplitude par un signal audio, le signal audio (ondes secondaires) se reconstruit le long du lobe d'émission des ultrasons. L'antenne paramétrique ainsi obtenue présente alors une directivité très étroite en comparaison des systèmes classiques de restitution du son de dimensions comparables.<br />Ce travail de thèse vise à améliorer les systèmes existants. Pour ce faire, un outil de dimensionnement et un prototype de démonstration sont réalisés.<br />Dans un premier temps, les principes fondamentaux de l'acoustique non linéaire permettant de comprendre le phénomène d'auto-démodulation sont rappelés. Ceci permet de conclure sur l'influence du champ d'ondes primaires sur le champ d'ondes secondaires et de déterminer les propriétés nécessaires au champ d'ondes primaires pour une utilisation comme haut-parleur directif. Les distorsions induites par l'auto-démodulation sont également mises en évidence. Les prétraitements usuels de réduction des distorsions sont ensuite détaillés et évalués à l'aide d'un algorithme de simulation afin de conclure sur leurs avantages et leurs conditions d'utilisation.<br />Afin d'obtenir une directivité très étroite et un fort niveau aux fréquences ultrasonores, un réseau de transducteurs est utilisé. Nous avons choisi de travailler avec des transducteurs à base de film PVDF. Dans un second temps, une modélisation décrivant le comportement des transducteurs réalisés à l'aide de film PVDF couplé à une cavité est proposée. Celle-ci permet d'estimer la pression acoustique rayonnée par une cellule élmentaire en fonction de différents paramètres tels que les dimensions de la cavité et les propriétés du film. Enfin, l'utilisation du modèle de rayonnement d'un réseau de sources permet de définir un réseau de cellules répondant aux exigences de cette application.<br />Finalement, un prototype de haut-parleur directif est réalisé. Il est caractérisé expérimentalement en régime linéaire (sans auto-démodulation) ainsi que pour une utilisation comme haut-parleur directif afin de réaliser une validation des différentes parties de l'étude.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Mécanique : Lille 1 : 2004. / N° d'ordre (Lille 1) : 3519. Résumé en français et en anglais. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 127-132.

Que ce soit dans le domaine médical ou en contrôle non destructif, les systèmes d'imagerie ultrasonore sont devenus de plus en plus utilisés de nos jours. Leurs applications ne cessent de s'élargir et des performances toujours plus accrues sont vivement recherchées, afin d'améliorer la qualité des diagnostics réalisés. Nous sommes donc passés de l'utilisation de systèmes à base de transducteurs ultrasonores mono-élément à des systèmes utilisant des réseaux de transducteurs à une dimension (1D) et à deux dimensions (2D) composés d'éléments de plus en plus nombreux et petits. Néanmoins, un phénomène indésirable est fortement présent dans ces réseaux de transducteurs ultrasonores : il s'agit du couplage inter-éléments tendant à limiter leurs performances acoustiques et à modifier leur diagramme de rayonnement. Tout au long de ce travail de recherche, nous avons donc cherché à comprendre ce phénomène parasite et à apporter des solutions pour le réduire voire le supprimer. En se basant sur des modélisations éléments finis 2D et 3D et grâce à la fabrication de prototypes, nous avons d'une part, mis en évidence les différents types de couplages présents dans un réseau de transducteurs (acoustique, mécanique) et d'autre part, deux méthodes de correction basées l'une comme l'autre sur l'application de tensions convenables aux différents éléments du réseau ont été testées. La première méthode utilise les déplacements normaux moyens à la surface de chaque élément du réseau pour évaluer ces tensions, tandis que la deuxième fait appel aux courants motionnels parcourant chaque élément pour les déterminer. Les résultats numériques et expérimentaux concernant les déplacements et les diagrammes de rayonnement sont en bon accord. En outre, les deux méthodes s'avèrent particulièrement efficaces pour réduire le couplage inter-éléments.