The Transversal Axes

Interférométrie par ondes de coda non-linéaire

Dans les milieux fortement hétérogènes comme le béton, les méthodes dites classiques de ECND par ultrasons sont inopérantes en raison de la diffusion multiple.Les signaux détectés aux fréquences ultrasonores sont de type « codas », des signaux complexes comportant des dizaines voire centaines de périodes, et en apparence ressemblant à du bruit. En faisant usage de corrélations entre différents signaux de coda, il est possible d’extraire des informations utiles et quantitatifs sur les changements qui ont eu lieu dans le milieu. C’est la « coda wave interferometry » (CWI). Nous exploitons dans ces recherches les effets non linéaires induits par une onde dite de pompe au niveau de défauts non linéaires comme des fissures pour opérer des changements effectifs du milieu depropagation détectés par la CWI (figures 1 et 2).

Caractérisation mécanique de matériaux composites

L’utilisation des matériaux composites s’est imposée depuis ces dernières années dans différents secteurs industriels. Leurs principales applications se trouvent dans le domaine du transport, de l’aérospatial, du bâtiment, ainsi que dans les sports et les loisirs...etc.

Les raisons d’untel succès sont attribuées à leur bonne résistance à la fatigue et à la corrosion, leur souplesse de forme et surtout leur faible masse qui permet un allégement conséquent des structures. La complexité de ces matériaux et les sollicitations souvent extrêmes auxquelles ils sont soumis,nécessitent l'utilisation d'un nombre important de techniques de contrôle et de caractérisation qui permettent d’évaluer le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement des matériaux composites de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique depuis l’élaboration jusqu’à la fin de vie des structures. Ces comportements mécaniques ont été étudiés récemment pour différentes structures: composites à fibres hybrides lin/carbone (figure 3) et composites à âme auxétique (figure 4).

Imagerie linéaire et non linéaire

Plusieurs travaux réalisés au LAUM sur du béton, des composites à matrice métallique, des composites fibre de verre montrent que le niveau d’endommagement dans une structure peut être corrélé à plusieurs indicateurs non-linéaires :- une baisse locale du module élastique observable expérimentalement par des mesures en spectroscopie ultrasonores par résonance non-linéaire fournissant une excellente estimation de cette variation de module à travers une mesure de la variation de la fréquence de résonance,- la génération d’harmonique observable par une mesure en transmission du taux de génération harmonique sur une gamme de fréquence couverte par un capteur.Ces indicateurs ont été analysés par imagerie pour des plaques composites carbones saines et présentant des défauts de type «découpe à l’usinage» et «impureté de résine». Les mesures ont permis d’obtenir une imagerie du ramollissement par l’analyse de la génération d’harmonique afin de quantifier ces défauts (figure 5).

D’autres travaux menés en collaboration avec la société DB-SAS (Nantes) et le LS2N(Nantes) s’intéressent plus particulièrement aux méthodes d’imagerie ultrasonore avancées et rapides pour le CND de matériaux atténuants et diffusants. Les études réalisées ont permis, entre autre, de répondre à différentes limitations observées dans les techniques conventionnelles(Focalisation en Tout Point – TFM) d’imagerie ultrasonore. En particulier, le critère de Rayleigh imposé par la dimension de la sonde constitue une limite pour discriminer des défauts proches par TFM. L’introduction d’un modèle direct de déconvolution permet d’aller au-delà de cette limite de Rayleigh (figure 6). Ces travaux se poursuivent maintenant sur les effets de l’atténuation et de la dispersion lors de la propagation.

Fusion de données et Inversion pour le CND

L’utilisation de techniques de fusion de données a été récemment explorée dans un travail mené en collaboration entre le LAUM, l’ESEO (Angers) et l’IREENA (Saint-Nazaire) afin de concevoir un capteur permettant de fusionner des données provenant de mesures d’une part obtenues par ultrason et d’autre part, obtenues par courants de Foucault. Ces deux méthodes sont très utilisées dans le domaine du CND mais souvent indépendamment. Les travaux menés visent à utiliser conjointement ces deux méthodes de CND aux avantages et inconvénients complémentaires pour atteindre des contrôles plus complets et plus fiables.

En effet, les mesures ultrasonores présentent une zone aveugle du fait de l’existence d’un champ proche où les données ne sont pas exploitables. Par ailleurs, les mesures par courants de Foucault possèdent également une zone aveugle qui, cette fois-ci, est située dans une zone plus lointaine du fait de l’épaisseur de peau.

La fusion de données entre ces deux techniques est réalisée à travers une approche de traitement de données grâce à des techniques de Machine Learning. Des Réseaux de Neurones Artificiels (RNAs)sont utilisés pour caractériser des défauts à partir de mesures US et CF. Des bases de données d’apprentissage sont constituées via des simulations US et CF. Ces bases de données sont utilisées pour entraîner les RNAs. Les RNAs sont ensuite capables d’estimer les paramètres des défauts démontrant les apports de cette approche de fusion de données illustrée sur la figure 7.

The Metamaterials transverse research axis aims at encouraging the emergence of new topics on structured artificial materials, allowing to innner and transversal collaborations between the laboratory's research teams and research operations (OR), with a special attention to promote the creation of new projects.

To do this, this new structure of the laboratory is first and foremost a tool for the dissemination of information and reflection to provide a concerted and coherent response to calls for projects, calls for papers, special issues of journals, etc.

In addition, several options for exchanges will be set up (bibliographic reviews, mini-workshops and internal training).

Finally, this axis plays a role in structuring the laboratory's activity on metamaterials around five main lines :

• Characterization of the properties of acoustic and elastic metamaterials,
• Non-linear metamaterials,
• Mechanical metamaterials,
• Metasurfaces for wave control, in particular for scattering, sub-wavelength absorption, etc.
• metaporous and multi-scale materials for broadband absorption,
• Metaplates and elastic wave control.

Coordinated by Georgios Theocharis

The  Nonlinear Acoustics transversal axis aims to integrate and promote research across the laboratory’s three teams by bringing together a community of approximately twenty permanent researchers and faculty members, thereby fostering internal and cross-disciplinary collaborations. It serves as a platform for sharing knowledge and tools, coordinating responses to calls for projects, and facilitating exchanges through bibliographic monitoring, mini-workshops, and internal training sessions for doctoral students and permanent staff.

This axis plays a central role in structuring the laboratory's nonlinear research, focusing on six key themes:

• Nonlinear Mechanical Metamaterials: Investigating the propagation of nonlinear waves, dynamic control of flexible metamaterials, and the emergence of nonlinear topological edge modes.

• High-Amplitude Sound Propagation in Air-Filled Waveguides: Analyzing the effects of acoustic nonlinearities, fluid dynamics, dispersion, and the formation of shock waves and acoustic solitons.

• Bifurcations and Nonlinear Vibrations of Elastic Structures: Studying the onset of buckling, instability, and periodic solutions in nonlinear elastic structures.

• Nonlinear Phenomena in Musical Acoustics: Exploring the role of nonlinearity in sound production by musical instruments, and developing numerical and experimental methods for bifurcation analysis across diverse dynamical systems.

• Non-Destructive Material Characterization Using Nonlinear Methods: Advancing techniques for assessing material properties through nonlinear acoustic signals for improved non-destructive evaluation.

• Transducer Nonlinearities: Developing theoretical models, measurement techniques, and advanced signal processing methods for controlling transducer nonlinearities.

Contact
 Transversal axis on Nonlinear Acoustics
Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Mans (LAUM)
Av. Olivier Messiaen, 72085 Le Mans, France
  georgios.theocharisuniv-lemans.fr