Contrôle de santé des matériaux et structures par analyse de la coda ultrasonore
Résumé
Ultrasonic coda is formed by multiple scattered ultrasonic waves (i.e. coda waves) propagating in a complex medium, the complexity of which comes either from the material’s micro-structure or the geometry of the media. Coda waves can probe the medium entirely and repeatedly because of their long and complex propagation paths. As a result, coda waves show a high sensitivity to the perturbation of the propagation medium, such as a variation in propagation velocity. By using Coda Wave interferometry (CWI), velocity variations can be determined from ultrasonic records with high accuracy (relative resolution of 0.001%). As in certain cases, variation in propagation velocity can be related directly to nonlinear elastic properties, which can be further connected to the damage state, CWI is considered a promising method for non destructive testing and evaluation (NDT&E) of material/structure. An experimental test is presented as an example of the CWI use on concrete for NDT&E purpose. For solving the experimental repeatability issue revealed in this test, an experimental protocol is designed to reduce the thermal bias in CWI results (i.e. the velocity variations caused by undesirable temperature fluctuations). This bias control protocol has been experimentally validated in a study of the acoustoelastic effect on concrete. Results showed that this protocol can remarkably improve the reliability of CWI results, and thus improves the experimental repeatability. Together with this bias control protocol, the CWI is then used for studying the behaviors of concrete under uni-axial load in direct tension. Both elastic (the acoustoealstic effect) and inelastic (the Kaiser effect) behaviors are observed via the CWI results. Effective value of acoustoelastic coefficient, which describes the importance of elastic nonlinearity of material, is then determined from the CWI results and used to detect an early-stage damage artificially induced to the concrete sample. The CWI is then used in a nonlinear modulation test for a global detection of defects (cracks) in an initially linear medium (glass). A high-amplitude acoustic excitation (the pump wave) and the coda waves (the probe wave) are simultaneously sent into glass samples. Due to the nonlinearity of the defects, acoustic mixing effect occurred. The observation of such effect, the pumpamplitude dependence of propagation velocity of coda waves, is the indication of damage. The use of a broadband pump wave makes possible to 1) detect the presence of defects globally for the entire structure without blind zone and 2) evaluate effective level of material's elastic nonlinearity, hence the assessment of damage level.
La coda ultrasonore est constituée d'ondes ultrasonores ayant subi des diffusions multiples lors de leur propagation dans un milieu complexe (milieu hétérogène/milieu homogène ayant une géométrie complexe). La coda ultrasonore présente une haute sensibilité aux perturbations du milieu de propagation. L'analyse de la coda ultrasonore par la méthode dite d’interférométrie de la coda (CWI pour Coda Wave Interferometry) permet d'évaluer la variation de la vitesse de propagation dans un milieu à partir des signaux de coda ultrasonores avec une grande précision (0,001 % en relatif). Une telle variation de la vitesse de propagation peut être utilisée pour l'évaluation et le contrôle non destructif (ECND) d’un matériau ou d'une structure. Un essai expérimental est présenté au début de la thèse comme exemple d’utilisation de la CWI pour l’ECND du béton. Face aux problèmes expérimentaux inhérents au degré de précision de cet essai, nous présentons un protocole expérimental conçu pour améliorer la fiabilité des résultats CWI. Ce protocole a été validé expérimentalement dans une étude d’acousto-élasticité du béton. Les résultats vérifient que ce protocole peut 1) réduire les biais provenant non seulement des fluctuations de température ambiante, mais aussi des procédures expérimentales et 2) améliorer la répétabilité de l’essai. Avec ce protocole de contrôle des biais, une étude du comportement de béton sous un chargement uni-axial en traction directe a été effectuée en utilisant la CWI. Les comportements élastique (l’effet acoustoélastique) et anélastique (l’effet Kaiser) du béton sont observés via les résultats CWI. Un coefficient acoustoélastique effectif (Β) qui décrit le niveau de la non-linéarité élastique du béton a été déterminé et utilisé pour la détection d’un endommagement léger du béton. La CWI est ensuite utilisée pour la détection globale de défauts (fissures) dans un milieu initialement linéaire (verre). Un chargement acoustique (l’onde de pompe) est utilisé pour mettre en jeu les non-linéarités des défauts. L’onde de coda qui se propage simultanément dans le milieu sert comme onde de sonde est modulée non linéairement par l’onde de pompe. L’apparition de la modulation non linéaire est due à la présence des défauts et peut être détectée par la variation des résultats CWI en fonction de l’amplitude de l’onde de pompe. En utilisant une onde de pompe large bande, nous montrons expérimentalement que cette méthode permet la détection des défauts et d’évaluation du niveau d’endommagement (via le niveau effectif de la non-linéarité) d’une manière globale sans zone aveugle.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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