Imagerie Acoustique par capteurs répartis

La thématique « Imagerie Acoustique par capteurs répartis » concerne la détection d'endommagements et l'imagerie en milieux réverbérants et complexes. Une des idées clés est d'exploiter les signaux acoustiques dans toute leur complexité, afin d'extraire le maximum d'informations 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, ouvre la voie vers des réseaux de capteurs ultrasonores passifs (récepteurs uniquement), donc basse consommation et potentiellement autonomes et peu-intrusifs.

Développées historiquement dans les applications géophysiques ou d'acoustique sous-marine, de telles techniques passives sont ici susceptibles d'apporter un certain nombre d'avantages tels que :

• une faible consommation d'énergie (pas d'émission ultrasonore)
• un déploiement et une installation facilités
• une limitation de l'électronique embarquée (circuits de réception uniquement, et non émission-réception).

Ainsi, le développement d'un réseau de capteurs répartis sans fil et autonome pour la détection d'endommagement et l'imagerie, basé sur la corrélation de champ acoustique ambiant pourrait s'avérer être un défi réaliste.

Une des principales applications envisagées est naturellement le contrôle-santé intégré des structures qui, de par leurs conditions d'usages, seraient le siège d'une propagation d'ondes acoustiques à des fréquences compatibles avec l'application. Un exemple notoire est celui des structures aéronautiques en cours de vol, dans lesquelles un tel champ acoustique est créé par les turboréacteurs et les phénomènes aéroacoustiques locaux, mais aussi les structures et infrastructures liées aux autres modes de transport (notamment ferroviaire, pour lequel des champs acoustiques ambiants sont créés par exemple par le contact roue-rail).

L'ambition est ici de couvrir l'ensemble de la problématique, de la recherche amont sur les principes physiques associés au principe d'imagerie à la mise en œuvre du réseau de capteurs basé sur ces principes, avec prise en compte des contraintes opérationnelles (stratégie de communication inter-capteurs, alimentation autonome par récupération d'énergie, communication sans fil...)

Applications de caractérisation ultrasonore BF

Un certain nombre de résultats importants ont été obtenus sur l'utilisation de sources acoustiques non synchronisées (donc éventuellement naturelles ou « ambiantes ») pour la caractérisation et l'imagerie de structures de type plaques :

• Estimation des paramètres structurels d’un milieu réverbérant à partir de l’extraction des propriétés statistiques des fonctions de Green.

Figure 1 : Quantification de la qualité de reconstruction des FG.

Accuracy of Green's function estimation from correlation of diffuse elastic waves on thin plates
L Chehami, E Moulin, J de Rosny, C Prada
The Journal of the Acoustical Society of America 146 (5), 3505-3511, 2019

• Première image de détection d’endommagement local et tomographie de défaut étendu (corrosion) par méthodes passives, et quantification du rôle de la réverbération dans la qualité de reconstruction passive.

Figure 2 : Exemple de localisation passive vs active d'un défaut à partir d'un bruit de frottement (en haut), et par tomographie passive d’un défaut de corrosion.

Experimental study of passive defect localization in plates using ambient noise
Auteurs : Lynda Chehami, Julien De Rosny, Claire Prada, Emmanuel Moulin, Jamal Assaad
IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 62, numéro 8, 1544-1553, 2015

Passive guided wave tomography for structural health monitoring
T Druet, A Recoquillay, B Chapuis, E Moulin
The Journal of the Acoustical Society of America 146 (4), 2395-2403, 2019

Valorisation industrielle : Method and system for controlling the integrated health of a mechanical structure by diffuse elastic waves,
T Druet, B Chapuis, E Moulin, US Patent 11,460,450, 2022

• Développement et validation d’une méthode originale de caractérisation d’un diffuseur (défaut local), à partir du traitement des codas de réverbérations mesurées sur des capteurs arbitrairement répartis.

Figure 3 : Comparaison entre la section efficace estimée expérimentalement (points bleus) et la valeur théorique (courbe rouge) en fonction de la fréquence, pour un trou de diamètre 10,5 mm

Reverberation of flexural waves scattered by a local heterogeneity in a plate
H Achdjian, E Moulin, F Benmeddour, J Assaad, L Dupont, L Chehami
The Journal of the Acoustical Society of America 140 (1), 157-164, 2016

• Estimation d'une surface : vitres encastrées.

• Développement et démonstration d'un principe de conversion acoustique non linéaire permettant une imagerie passive d'endommagement à partir de vibrations basse fréquence ambiantes.

Figure 4 : Conversion BF-US par résonateurs à contact frottant

Nonlinear secondary noise sources for passive defect detection using ultrasound sensors
L Chehami, E Moulin, J de Rosny, C Prada, E Chatelet, G Lacerra, ...
Journal of sound and Vibration 386, 283-294, 2017

• Il nous a paru, également, intéressant d'étudier les possibilités d'imagerie sans références en utilisant des techniques pompe-sonde. Un article présentant la faisabilité de combiner les techniques pompe-sonde avec le beamforming a été publié dans le cadre de la thèse de M Terzi. Dans ce papier, il y est question d'utiliser ces vibrations HF (onde-sonde) modulées par les BF (onde de pompe) pour localiser un contact solide-solide (type Hertzien).

 Figure 5 : Localisation d’un défaut de contact par combinaison de la méthode pompe-sonde avec le beamforming.
M. Terzi, L. Chehami, M. Farin, E. Moulin, V. Aleshin, N. Smagin, J. de Rosny, and F. Benmeddour.
Pump-probe localization technique of varying solid contacts. J. Acoust. Soc. Am. 149:2943-2949, 2021. DOI:10.1121/10.0004820

• Nous tentons de mettre des systèmes de caractérisations ultrasonores à la disposition des chercheurs de l’INRAé/UMET. Nous nous sommes récemment orientés vers les techniques de Coda Wave Interferometry. Cette méthode s’est révélée extrêmement fructueuse, nous avons tenté de l’utiliser pour suivre l’évolution d’un biofilm de Staphylocoque sur une surface d’acier inoxydable, en conditions contrôlées :

Figure 6 : Exemple de suivi d’un biofilm en conditions contrôlées.
B. Chen, M. Abdallah, P. Campistron, E. Moulin, D. Debavelaere-Callens, S. Khelissa, P. Debreyne, N.-E. Chihib, and G. Delaplace.
Detection of biofilm formation by ultrasonic Coda Wave Interferometry. Journal of Food Engineering, 290:110219, Feb. 2021

Ces travaux ont été effectués en collaboration avec le groupe MAMINA de l'IEMN.

• Ces résultats nous ont très certainement ouvert les portes du projet INTERREG 2 SEAS SOCORRO (2020 - 2023) portant sur le suivi de la corrosion en milieu marin. Nous sommes parvenus à détecter et à mesurer la perte de matière survenant lors de la corrosion de plaque d'acier.

M. Farin, E. Moulin, L. Chehami, F. Benmeddour, C. Nicard, P. Campistron, O. Brehault, and L. Dupont.
Monitoring saltwater corrosion of steel using ultrasonic coda wave interferometry with temperature control. Ultrasonics, 124:106753, Aug. 2022.

• Un intérêt particulier est porté récemment à l’étude du potentiel d’imagerie passive par corrélation de bruit à hautes fréquences (quelques 10aines de MHz) pour le CND des microstructures et à la caractérisation de couches de revêtement (dans le cadre du projet ANR DACLOS).
• On s’intéresse également, dans le cadre d'une collaboration avec le CEA Saclay, à la détection des défauts d'impacts dans des structures composites. La présence de tels défauts constitue un problème grandissant au sein de l’industrie aéronautique. Dans ce contexte, on propose de combiner la méthode pompe-sonde (développée dans le cadre du projet ANR PANSCAN) et les algorithmes d'imagerie en milieu fortement anisotrope, dispersif, multimodale.
• D'autre part, on s'intéresse, aux méthodes de resynchronisation d’un réseau de capteurs, en post-traitement uniquement. L'objectif est d'alléger l'instrumentation et pouvoir imager des structures complexes de manière passive

Projets Européens :

Projet Interreg 2-mers SOCORRO, 2019-2023, 185 k€, responsable scientifique : E. Moulin

Projets ANR:

ANR JCJC DACLOS, 2022-2025, 172 k€, coordinateur et responsable scientifique : L. Chehami
Projet ANR PANSCAN, 2018-2022, 165 k€, coordinateur et responsable scientifique : E. Moulin
Projet ANR PASNI, 2018-2022, 250 k€, coordinateur et responsable scientifique : E. Moulin
ANR Blanc PASNI ”Passive Acoustic Sensor Network Imaging” (PRC, Mars. 2012 - Mars. 2016, 449,975 Keuros)

Institut Langevin, Paris
LaMCoS, INSA de Lyon
La Sapienza, Rome
CEA LIST, Saclay
INRAé, UMET, Lille

EADS Airbus
IRT Railenium