Thèmes de recherche

Equipe 6 - Contrôle et évaluation Non Destructifs - CND

Responsable: OURAK Mohamed - Tél: +33 (0)3 27 51 18 01 - mohamed [dot] ourak [at] univ-valenciennes [dot] fr

Membres permanents: OUAFTOUH Mohammadi, XU Wei Jiang, DUQUENNOY Marc, JENOT Frédéric

Membres non permanents: LEFEBVRE Fabien, DEBOUCK Fabien

Logo ECo CndLes activités de recherche de l’équipe concernent l’acoustique ultrasonore où l’on s’intéresse à l’étude fondamentale de la génération, de la propagation et de la détection des ondes ultrasonores dans des milieux de différentes natures, mais aussi à la mise en œuvre de ces ondes dans différentes applications dans le domaine de l’évaluation, de la caractérisation et du contrôle non destructifs des matériaux.

Les principaux savoir-faire de l’équipe concernent :

  • L'étude de la propagation des ondes ultrasonores dans les milieux précontraints (acoustoélasticité).

  • L’étude et la modélisation des ondes ultrasonores générées par impact laser et leurs interactions avec les défauts.

  • La signature acoustique des matériaux au travers de l’étude de l’interaction entre un champ ultrasonore focalisé et une structure multicouche afin d’établir la fonction V(z) et l’analyse du problème inverse en développant des algorithmes d’inversion de la signature acoustique en vue de la caractérisation des matériaux.

  • L’étude de la propagation des ondes de volume, de surface et guidées dans les structures multicouches.

  • L’évaluation et le contrôle non destructifs des matériaux : détection de défauts (porosités, corrosion, fissures,…), mesure d’épaisseur, étude de la qualité d’adhérence, estimation des constantes élastiques, analyse des contraintes résiduelles.

  • Le développement de modèles et de logiciels afin de mieux comprendre les phénomènes de propagation d’ondes et d’interactions ondes-défauts.

Objectifs

L’objectif des recherches effectuées dans le cadre de cette opération est de pouvoir contrôler et caractériser les matériaux en utilisant les ondes ultrasonores. Elles s’inscrivent dans une suite logique de développements de techniques de contrôle non destructif et de leurs modélisations au travers de l’étude théorique et expérimentale de l’interaction des ondes ultrasonores avec différentes caractéristiques de la matière ou avec les défauts. Ces recherches ont été réalisées à partir de nos développements menés dans les domaines de l’Acoustoélasticité et du Laser-Ultrasons.

Objectives

The research carried out within the framework of this operation concerns the theoretical and experimental study of the interactions of ultrasound waves with different material characteristics or with defects. This research was carried out from our developments undertaken in the areas of acoustoelasticity and Laser-Ultrasonics.

Résultats marquants 2004-2007 (Outstanding results)

1. Non linéarités ultrasonores et contraintes résiduelles

La caractérisation de l’état de contrainte, au sein des matériaux, s’avère de plus en plus nécessaire dans le développement des dispositifs à l'échelle macroscopique et microscopique, car la tenue mécanique des pièces est intimement liée à la répartition des contraintes internes dans celles-ci. Depuis un peu plus d'une dizaine d'année nous étudions sur le plan théorique et expérimental, les interactions entre les ondes ultrasonores et les champs de contrainte qu'ils soient volumiques ou surfaciques. Au cours de ces quatre dernières années, une première étude importante a été consacrée à l'estimation de contraintes résiduelles dans les milieux amorphes (verre sodocalcique). Sur le plan théorique, la prise en compte des non linéarités acoustiques liées à la présence de ces contraintes a été effectuée dans le cadre de la théorie de l’acoustoélasticité. Nous avons montré qu’il est possible d’analyser l’inhomogénéité des contraintes résiduelles dans l’épaisseur en exploitant la "dispersion" de l’onde de Rayleigh, et en surface à partir de la variation de vitesse pour une fréquence donnée [M. Duquennoy et al, J. Acoust. Soc. Am., vol.119, 3773-3781 (2006)]. Pour ce faire, différents profils de contrainte (parabolique, linéaire, …) ont été considérés et une modélisation par éléments finis de la distribution des contraintes due à une trempe thermique a été développée en collaboration avec une équipe du LAMIH (UMR-CNRS 8530). La bonne corrélation (qualitative et quantitative) entre les résultats de mesure et ceux de la modélisation, a montré la pertinence de notre étude et des performances des ultrasons pour l'estimation des contraintes (fig.1). Un deuxième point important dans nos recherches a concerné l'estimation des contraintes dans des roulements à billes des moteurs aéronautiques qui sont soumis à des sollicitations très sévères pouvant conduire à un arrêt du moteur en vol. Dans ce cas, la détermination des profils de contraintes résiduelles a été réalisée sur les 60 premiers microns sous la surface avec un pas extrêmement fin de 5 μm [S. Desvaux et al, NDT & E Intern., vol.37, 9-17 (2004); vol.20, 9-24 (2005); J. Appl. Mech., vol.73, 342-346 (2006)].

1. Ultrasonic non-linearities and residual stress

The characterisation of the state of stress, within the materials, is proving to be more and more necessary in the development of devices on a macroscopic and microscopic scale, as the performance of the mechanical parts is intimately linked to the distribution of their internal stress. Over the past four years, an important study has been devoted to the estimation of residual stress in amorphous media. On a theoretical level, the acoustic non-linearities linked to the presence of stress were taken into account within the framework of the theory of acoustoelasticity. We have shown that it is possible to analyse the inhomogeneity of the residual stress in the thickness by exploiting the Rayleigh wave "dispersion", and on the surface using velocity variation for a given frequency [M. Duquennoy et al, J. Acoust. Soc. Am., vol.119, 3773-3781 (2006)]. To do this, different stress profiles (parabolic, linear,…) were considered and a finite elements model of the stress distribution due to thermal quenching was developed in collaboration with a team from the LAMIH (UMR-CNRS 8530). The good correlation (qualitative and quantitative) between the measured results and the model has shown the pertinence of our study and the performances of ultrasonic waves for the estimation of stress (fig.2). A second important point of our research concerned the estimation of stress in aeronautical engine ball bearings that are under very severe stress. In this case, the determination of the residual stress profiles was carried out on the first 60 microns under the surface with an extremely fine interval of 5 μm [S. Desvaux et al, NDT & E Intern., vol.37, 9-17 (2004); vol.20, 9-24 (2005); J. Appl. Mech., vol.73, 342-346 (2006)].

2. Laser-ultrasons

Quelques propriétés des ondes acoustiques à l’interface air-solide ont été étudiées par la technique laser-ultrasons qui permet d’exciter et de détecter optiquement ces ondes [F. Jenot et al, J. Appl. Phys., vol. 97, 094905 (2005)]. Par comparaison avec l’onde de Rayleigh rayonnante, une amplitude importante a été observée pour la perturbation acoustique constituée de l’onde de Scholte et de l’onde latérale. Cependant, en tenant compte des termes de source, il apparaît d’un point de vue théorique que le déplacement normal associé à ces ondes ne peut pas être le plus important pour l’interface considérée. Une autre explication aux fortes fluctuations mesurées est la détection optique hétérodyne des variations de l’indice de réfraction du fluide. Il a été clairement montré que le champ acoustique transmis, réfléchi ou diffracté permet d’obtenir des informations pertinentes sur la position ou la taille de structures interceptant le chemin de propagation. Cela suggère de nouvelles et nombreuses applications concernant le dimensionnement de structures pour lesquelles des mesures sans contact sur des parties inaccessibles seraient nécessaires.
Nous nous sommes aussi intéressés à la caractérisation de films minces par laser-ultrasons. En collaboration avec l’Université de Louvain, différentes structures comme celle composée d’une couche d’or déposée sur un substrat de silicium ont été étudiées dans le but de déterminer l’épaisseur du film ou ses constantes élastiques.

2. Laser ultrasonics

Some properties of acoustic waves at the air-solid interface were studied using laser-ultrasonics to optically excite and detect these waves [F. Jenot et al J. Appl. Phys., vol.97, 094905 (2005)]. In comparison with the leaky Rayleigh wave, a large amplitude was observed for the acoustic disturbance which is composed of Scholte and lateral waves. However, it was apparent from theoretical results taking source terms into account that the normal displacement of these waves could not be the larger in such an interface. Another explanation for the high intensity fluctuation measured was the optical heterodyne detection of the refractive index variation induced in the fluid. It was clearly shown that the transmitted, reflected or diffracted acoustic fields provide useful information about the position or the size of structures intercepting the propagation path. This suggests a lot of new applications in sizing of structures where non-contact measurements on inaccessible parts would be necessary. We were also interested in the characterization of thin films by laser-ultrasonics. In collaboration with Leuven University, different structures like gold layer deposited on silicon were studied in order to determine the film thickness or its elastic constants.

Publications (2004-2008)

Articles dans une revue internationale avec comité de lecture

2008

  • Effective elastic constants in acoustoelasticity
    DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., DEVOS D., JENOT F., OURAK M.
    Appl. Phys. Lett., 92, 24 (2008) 244105-1-3

  • Modelling of the thermal tempering of flat glass : determination of radiative and convective heat transfer enabling prediction and control of residual stresses
    LOCHEGNIES D., MONNOYER F., OURAK M., SIEDOW N., ANTON J., LANGLAIS R.
    Glass Technol., Eur. J. Glass Sci. Technol. A, 49, 1 (2008) 1-7

  • Wide band resonant ultrasound spectroscopy of spheroidal modes for high accuracy estimation of Poisson coefficient of balls
    DENEUVILLE F., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., JENOT F., OURAK M., DESVAUX S.
    Rev. Sci. Instrum, 79, 4 (2008) 044901-1-5

  • High frequency ultrasonic detection of C-crack defects in silicon nitride bearing balls
    DENEUVILLE F., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., OURAK M., JENOT F., DESVAUX S.
    Ultrasonics, In Press, Corrected Proof, Available online 20 June 2008

2006

  • Estimation of internal stress profiles using the Barkhausen noise effect. Application : verification to the homogeneity of the shot peening process performed on the raceways of aerospace bearing rings
    DESVAUX S., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., GUALANDRI J., OURAK M.
    Trans. ASME, J. Appl. Mech., 73, 2 (2006) 342-346

  • Inclusions detection using Lamb waves in flexible printed circuits
    JENOT F., OUAFTOUH M., XU W.J., DUQUENNOY M., OURAK M.
    Joint World Congress on Ultrasonics/Ultrasonics International, WCU/UI’05, Beijing, China, august 28-september 2, 2005
    Ultrasonics, 44, 1 (2006) e1163-e1167

  • Ultrasonic evaluation of residual stresses in flat glass tempering by an original double interferometric detection
    DEVOS D., DUQUENNOY M., ROMERO E., JENOT F., LOCHEGNIES D., OUAFTOUH M., OURAK M.
    Joint World Congress on Ultrasonics/Ultrasonics International, WCU/UI’05, Beijing, China, august 28-september 2, 2005
    Ultrasonics, 44, 1 (2006) e923-e927

2005

  • Evaluation of residual stress profiles using the Barkhausen noise effect to verify high performance aerospace bearings
    DESVAUX S., DUQUENNOY M., GUALANDRII J., OUAFTOUH M., OURAK M.
    NDT & E Int., 20, 1 (2005) 9-24

  • Interferometric detection of acoustic waves at air-solid interface - Applications to non-destructive testing
    JENOT F., OUAFTOUH M., DUQUENNOY M., OURAK M.
    J. Appl. Phys., 97, 9 (2005) 094905-1-8

  • Non-destructive testing of ceramic balls using high frequency ultrasonic resonance spectroscopy
    PETIT S., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., DENEUVILLE F., OURAK M., DESVAUX
    Ultrasonics, 43, 10 (2005) 802-810

2004

  • Residual stress profiling of an aluminum alloy by laser ultrasonics
    PAN Y., QIAN M., XU W., OURAK M.
    Chinese J. Acoust., 29, 3 (2004) 254-257

  • The evaluation of surface residual stress in aeronautic bearings using the Barkhausen noise effect
    DESVAUX S., DUQUENNOY M., GUALANDRI J., OURAK M.
    NDT & E Int., 37, 1 (2004) 9-17

 

Communications internationales avec actes

2008

  • Elastic characterization of ceramic balls using resonant ultrasound spectroscopy of spheroidal modes
    DENEUVILLE F., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., JENOT F., OURAK M., DESVAUX S.
    Proceedings of the Second ASA-EAA Joint Conference, ACOUSTICS'08, Paris, France, june 29-july 4, 2008, 4681-4686

  • Film thickness determination by laser ultrasonics
    LEMAIRE M., JENOT F., OUAFTOUH M., XU W.J., DUQUENNOY M., OURAK M., COTE R., SALENBIEN R., SARENS B., LAURIKS W., GLORIEUX C.
    Proceedings of the Second ASA-EAA Joint Conference, ACOUSTICS'08, Paris, France, june 29-july 4, 2008, 2511-2516

2007

  • Finite element modelling of guided waves propagation in plates with variable thickness
    JENOT F., OUAFTOUH M., OURAK M., DUQUENNOY M., POUSSOT P.
    Proceedings of the 2007 International Congress on Ultrasonics, ICU 2007, Vienna, Austria, april 9-12, 2007, CD-ROM

  • High frequency ultrasonic estimation of C-crack defects in silicon nitride bearing balls
    DENEUVILLE F., OURAK M., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., JENOT F., CARREROT H.
    Proceedings of the 2007 International Congress on Ultrasonics, ICU 2007, Vienna, Austria, april 9-12, 2007, CD-ROM

  • Layered materiel characterization using V(z) inversion technique
    XU W.J., OURAK M., VANDVOORDE L., BOURSE G.
    Proceedings of the 2007 International Congress on Ultrasonics, ICU 2007, Vienna, Austria, april 9-12, 2007, CD-ROM

2005

  • Sizing of structures by laser ultrasonics using air-solid interface waves
    JENOT F., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., OURAK M.
    Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation, Golden, CO, USA, july 25-30, 2004
    AIP Conf. Proc., 760 (2005) 305-312

  • Defects detection on silicon nitride balls by laser ultrasonics
    LEMAIRE M., OUAFTOUH M., DUQUENNOY M., JENOT F., OURAK M.
    Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation, Golden, CO, USA, july 25-30, 2004
    AIP Conf. Proc., 760 (2005) 313-320

  • Modal waves solved in complex wave number
    XU W.J., JENOT F., OURAK M.
    Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation, Golden, CO, USA, july 25-30, 2004
    AIP Conf. Proc., 760 (2005) 156-163

  • Nondestructive testing of aeronautic bearing ceramic balls by resonant ultrasound spectroscopy
    PETIT S., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., DENEUVILLE F., JENOT F., OURAK M.
    Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Golden, CO, USA, july 25-30, 2004
    AIP Conf. Proc., 760 (2005) 1252-1257
    Communications nationales avec actes

2007

  • Contrôle non destructif des billes de roulement en nitrure de silicium par spectroscopie de résonance ultrasonore des ondes acoustiques de surface
    DENEUVILLE F., DESVAUX S., CARREROT H., DUQUENNOY M., OURAK M.
    Actes du 35ème Congrès du Traitement Thermique et de l’Ingénierie des Surfaces, A3TS 2007, Lille, France, 23-25 mai, 2007

2006

  • Evaluation des contraintes résiduelles dans le verre plat trempé thermiquement par méthode ultrasonore
    DEVOS D., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., JENOT F., OURAK M.
    Actes du 8ème Congrès Français d'Acoustique, CFA2006, Tours, France, 24-27 avril, 2006, 529-531

  • Modélisation par éléments finis de la propagation d’ondes guidées dans les plaques d’épaisseur variable
    JENOT F., OUAFTOUH M., DUQUENNOY M., OURAK M.
    Actes du 8ème Congrès Français d'Acoustique, CFA2006, Tours, France, 24-27 avril, 2006, 689-692

 

Communications sans actes

2007

  • Etude de structures du type couche sur substrat par laser ultrasons
    LEMAIRE M., JENOT F., OUAFTOUH M., OURAK M., DUQUENNOY M.
    1ère Journée Scientifique et Technique ECND Grand Ouest, Le Mans, France, 28 juin, 2007

2006

  • Etude de structures du type couche sur substrat par laser ultrasons
    LEMAIRE M., JENOT F., OUAFTOUH M., DUQUENNOY M., OURAK M.
    Journées Ultrasons Laser, Le Mans, France, 7-8 décembre, 2006

2005

  • Dimensionnement de structures par ultrasons-lasers
    JENOT F., OUAFTOUH M., DUQUENNOY M., OURAK M.
    3èmes Journées Ultrasons-Laser, Louvain, Belgique, 16-17 mars, 2005

  • Evaluation ultrasonore de l’homogénéité des contraintes résiduelles de surface sur du verre plat trempé au moyen d’une double détection interférométrique originale
    DEVOS D., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., ROMÉRO E., JENOT F., LOCHEGNIES D., OURAK M.
    Ecole thématique CNRS - Contraintes Internes : de leurs origines à leur utilisation dans les matériaux à propriétés électroniques, Nant, France, 18-23 septembre, 2005

  • Field model for V(z) evaluation ant its application in material characterization
    XU W.J., OURAK M.
    Joint World Congress on Ultrasonics/Ultrasonics International, WCU/UI’05, Beijing, China, august 28-september 2, 2005

  • Ultrasonic estimation of residual stress distribution in flat glass tempering
    DEVOS D., DUQUENNOY M., OUAFTOUH M., JENOT F., OURAK M.
    3rd International Conference of the African Materials Research Society, Marrakech, Morocco, december 7-10, 2005