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TPIA : Transduction, Propagation et Imagerie Acoustique

Coordinnateur : Marc DUQUENNOY

Permanents : Jamal ASSAAD, Farouk Benmeddour, Christophe DELEBARRE, Mohammadi OUAFTOUH, Mohamed OURAK, Bogdan PIWAKOWSKI, Frédéric JENOT, Emmanuel MOULIN, Wei Jiang XU

Doctorants : Walid HARIZI, Tom DRUET, Barbara LAFARGE, Salah-Eddine HEBAZ, Bowei CHEN, Martin ROBIN

L'activité acoustique et ultrasonore du groupe TPIA concerne le domaine de l'acoustique physique et les activités de recherche visent globalement à comprendre les phénomènes d'interaction ondes ultrasonores avec la matière, à proposer différentes méthodes d'analyses (problèmes inverses) adaptées au suivi de l'intégrité des structures et des propriétés des matériaux, à modéliser le comportement de sources ultrasonores et de leurs interactions avec les matériaux environnants et à développer des outils permettant une conception optimale des systèmes.

La recherche de pointe conduite dans le groupe TPIA s'appuie sur des compétences et des savoir-faire enrichis depuis plus de 30 ans, au sein de département d'Opto-Acousto-Electronique (DOAE), dans le domaine des ultrasons et de leur interaction avec la matière. Les travaux de recherche couvrent aussi bien les aspects amont de recherche fondamentale dans le domaine, que les innovations technologiques au niveau des systèmes, et également les développements R&D relevant de l'expression de besoins industriels.

Fortement influencé par une tradition de recherche développée au sein des équipes CND (Contrôle Non Destructif) et TRUST (TRansducteurs Ultrasonores : Sécurité dans le Transport), les thématiques du groupe sont très ouvertes aux évolutions technologiques (microélectronique, MENS) et abordent des sujets de nature fondamentale ou issus de besoins industriels en adoptant, dans les deux cas, une démarche équilibrée entre modélisation, expérimentation, et résolution du problème inverse. Ces thématiques de recherche prennent toutes leurs importances avec l'émergence d'une part de matériaux nouveaux tels que les matériaux à surface fonctionnelle (revêtus de couches fines ou minces) et les matériaux à gradient de propriétés, (couramment utilisés dans le domaine de transport par exemple) et d'autre part, des enjeux socio-économiques liés à des développements industriels tels que les méthodes de contrôle non destructives.

Mots-clés : Transduction, CND, Contrôle Santé Intégré, Récupération d'énergie, Acoustique Guidée, Problème Inverse, Imagerie Acoustique, Réseaux de Capteurs, Ondes de surface, Onde guidées, Ultrasons Laser, SAW, Contraintes résiduelles.

Thématiques de recherche

Fortement influencées par une tradition de recherche dans le domaine du CND (Contrôle Non Destructif), les thématiques du groupe relèvent des Sciences Pour l'Ingénieur (SPI). Les activités de recherche s'articulent autour de trois thématiques cohérentes et complémentaires:

Ces activités de recherche permettent au groupe TPIA de couvrir un large spectre dans le domaine des ultrasons puisqu'elles vont de la génération des ondes jusqu'à la résolution du problème inverse et à l'imagerie. Nos thématiques sont bien établies et disposent de leurs sources de financement et collaborations propres. Actuellement il y a plus de dix doctorants en cours de thèses.

Figure1: Gravure par ICP du réseau LiNbO3Transduction et Récupération d'énergie:
La thématique "Transduction et Récupération d'énergie" porte premièrement sur le développement des transducteurs ultrasonores multiéléments (réseaux à commande de phase, phased array) de haute fréquence (>100MHz) pour des applications de contrôle non destructif et pour de l'imagerie de cellules biologiques. L'approche théorique (modélisation) permet l'optimisation des performances du capteur et l'étude expérimentale s'appuie sur différentes procédures et technologies MEMS afin de maîtriser la fabrication des réseaux à partir de différents matériaux actifs (ZnO, LiNbO3, PZT). Deuxièmement, la récupération d'énergie a pour but d'étudier diverses solutions techniques permettant d'assurer l'autonomie énergétique à nos systèmes de Contrôle Santé Intégré. Aujourd'hui, nous travaillons principalement sur la récupération d'énergie vibratoire par conversion piézoélectrique afin de garantir aux systèmes CSI une double-fonctionnalité. En effet, les transducteurs piézoélectriques réalisent à la fois le contrôle de la structure par ultrasons et la récupération/conversion d'énergie vibratoire en énergie électrique.

Figure1: Gravure par ICP du réseau LiNbO3
 

Figure 2: Courbes de dispersion d'une structure couche sur substrat obtenues par Ultrasons-LaserAcoustique Guidée et Problème Inverse:
La thématique "Acoustique Guidée et Problème Inverse"a pour objectifs d'améliorer et d'optimiser la caractérisation de diverses structures en exploitant les propriétés des ondes acoustiques de surface et de plaque. Les applications qui en découlent touchent de nombreux secteurs d'activité allant de la microélectronique au transport. Les méthodes d'excitation et de détection mises en œuvre peuvent être sans contact en régime impulsionnel ou harmonique. Les échantillons considérés couvrent une large gamme allant des milieux granulaires comme dans le projet ANR SENSO aux films minces. L'originalité des travaux effectués se situe souvent dans les méthodes d'inversion utilisées comme pour la technique V(z). Elle peut aussi résider dans les procédures de caractérisation et/ou les dispositifs développés. Par exemple, l'utilisation des Ultrasons-Laser (LU) couplés à des solutions originales d'inversion et de traitement du signal ont permis de fortement optimiser l'exploitation des informations acoustiques recueillies. Le projet ANR ECOCND a notamment confirmé l'importance de ces études dans un objectif de contrôle. De nouvelles voies en termes de fonctionnalisation des surfaces ont aussi été explorées.
Par ailleurs, les capteurs interdigités à ondes de surface (SAW-IDT MEMS) se sont montrés précurseurs pour la détermination des niveaux de contraintes résiduelles dans certains matériaux. De conception originale, ils ont en conséquence donné lieu à un dépôt de brevet. D'autre part, les études menées sur le couple ondes de Lamb-endommagement ont abouti sur de très bons résultats et laissent présager des perspectives conséquentes.

Figure 2: Courbes de dispersion d'une structure couche sur substrat obtenues par Ultrasons-Laser

 

Figure 3: Détection d'endommagement par méthode acoustique passiveImagerie par Capteurs Acoustiques Répartis:
La thématique "Imagerie par Capteurs Acoustiques Répartis" concerne la détection d'endommagements et l'imagerie en milieux réverbérants et complexes. L'objectif est ici de proposer des méthodes innovantes pour le contrôle de santé et le suivi de composants de structures de géométries complexes (voilures et coques aéronautiques, carrosseries automobiles, composants ferroviaires, circuiteries hydrauliques, ...). Une des idées clés est d'exploiter les signaux acoustiques dans toute leur complexité, afin d'extraire le maximum d'information à partir d'un nombre limité de capteurs. Les codas ultrasonores, notamment, issues de trajets de propagation multiples et entrelacés dans les structures offrent des perspectives nouvelles. En particulier, la possibilité d'utiliser des sources acoustiques naturelles (on parle également de sources "ambiantes", ou encore " sources d'opportunité") en lieu et place de l'émission d'ondes ultrasonores classiquement utilisée dans les techniques de contrôle non destructif traditionnelles, ouvrent la voie vers des réseaux de capteurs ultrasonores passifs (récepteurs uniquement), donc basse consommation et potentiellement autonomes et peu-intrusifs. Dans un environnement transport, notamment, où de nombreuses sources acoustiques et vibratoires " naturelles" existent (moteurs, bruits aérodynamiques, contacts roue-rail, interactions fluide-structure, ...), les applications de ces travaux sont potentiellement nombreuses. Naissante au moment de la précédente évaluation AERES, cette thématique est désormais bien établie et jouit d'une reconnaissance notable dans la communauté transdisciplinaire de "l'imagerie par corrélation de champs ambiants", comme en atteste notamment l'invitation à l'école thématique internationale "Ambient noise imaging and monitoring" à Cargèse en avril 2013.

Figure 3: Détection d'endommagement par méthode acoustique passive

 

Champs de Compétences et Domaines d'Expertise

Sujets de thèse ou de stage

Formation par la recherche

Les membres du groupe TPIA sont fortement impliqués dans les enseignements liés aux SPI au sein de l'ISTV et de l'ENSIAME

Collaborations

Collaborations académiques

  • Projet Européen
    • ALAMSA: Université Bath (UK);
    • PRISTIMAT&PRISTIFLEX: UMONS (Bel.), LMCPA, UPJV
  • ANR:
    • ECOCND: CEA LIST, Institut de Soudure ;
    • PASNI : Institut Langevin (ESPCI), LaMCoS;
    • OVMI : ONERA, GIPSA, SATIE ;
    • IN-ART: LPPI, ONERA
  • Programme Hubert Curien: Université Catholique de Louvain (Bel.)
  • Projet transducteur HF: School of Microelectronics of Université Fudan (Shanghai, Ch.), FEMTO-ST (réseau RTB), Université de Tongji (Shanghai, Ch.).

Collaborations industrielles

  • Projet Européen :
    • PRISTIMAT & PRISTIFLEX: CRITT MDTS, INISMA (Bel.), SIRRIS (Bel.)
  • ANR:
    • ECOCND: Ixtrem, Holo3 ;
    • PASNI: EADS · Projet sur la récupération d'énergie: Airbus Operations Ltd (UK), PSA, SOBEN
  • Thèses CIFRE: Vallourec, SKF Aerospace, Soben
  • Thèse IRT Railenium
  • Projets études de faisabilité: ADES (Fr.), CTIF (Fr.), NCA Technologies (Bel.), CEV VALLOUREC (Fr.), St Gobain Glass (Fr & Bel.), Glaverbel (Bel.), Airbus (Fr), SKF (Fr.)

Soutiens

  • Europe, Etat,  Région Nord – Pas de Calais: FEDER, Interreg, FP7, ANR, OSEO, (Arcir CECET), CPER CISIT, IRT RAILENIUM