Acoustique Guidée et Problème Inverse

Les activités de recherches développées dans le cadre de cette thématique ont pour objectif la compréhension des phénomènes d'interaction entre les ondes acoustiques guidées et la matière. Ces activités nécessitent par conséquent l'étude théorique et expérimentale de l'excitation et de la propagation de ces ondes dans des milieux de différentes natures. L'un des objectifs recherchés est la mise au point de méthodes de caractérisation adaptées et optimisées pour l'évaluation non destructive des propriétés physiques et structurelles des matériaux. Les activités principales concernent les Ultrasons-Laser (LU), les transducteurs interdigités (IDT),…

La terminologie « Ultrasons-Laser » désigne une méthode permettant la génération et la détection sans contact d'ondes acoustiques. Comparativement à d'autres voies, cette solution ne nécessite donc pas l'utilisation d'un milieu de couplage. Elle permet aussi la caractérisation de matériaux portés à des températures élevées et s'adapte facilement à des structures de géométries complexes pour lesquelles la mise en œuvre de méthodes conventionnelles s'avère souvent difficile.

L'excitation des ondes ultrasonores s'effectue en irradiant l'échantillon à l'aide d'une impulsion laser focalisée de formes spatiale et temporelle bien déterminées. Il en résulte une absorption locale de la radiation lumineuse engendrant un échauffement brutal de la zone impactée. Selon la densité de puissance lumineuse incidente, deux modes principaux de génération photoélastique sont à distinguer : le mode thermoélastique et le mode ablation.

Par ailleurs, la détection des ondes ultrasonores est aussi réalisée optiquement par interférométrie. Le principe de cette détection repose le plus souvent sur la mesure du déplacement normal de la surface de l'échantillon au passage de l'onde ultrasonore.

Nos activités se focalisent actuellement sur la modélisation des sources photoélastiques et la caractérisation des structures du type couche sur substrat par ondes de surface ou de plaque. En outre, nous nous intéressons à l'interaction ondes-défauts au sens large et à la mise au point de techniques permettant de travailler en plus hautes fréquences.

Figure 1 : Modélisation de l'excitation des ondes ultrasonores par source laser.

Figure 2 : Dispositif Ultrasons-Laser

Figure 3 : Ondes de plaque obtenues par Ultrasons-Laser et courbes de dispersion associées pour une couche d'indium sur silicium.

Figure 4 : Détection de fissures dans le champignon du rail en mode dynamique par ondes de Rayleigh.

Les structures du type couche mince sur substrat sont d'une importance capitale dans le domaine de la microélectronique. En effet, les propriétés physiques de ces structures dépendent fortement de celle de la couche, c'est pourquoi, il s'avère souvent indispensable de pouvoir déterminer les paramètres élastiques du film ainsi que son épaisseur. Nous avons pour cela privilégié l'utilisation des ondes acoustiques guidées (modes de plaque et de Rayleigh) excitées en régime impulsionnel dans une gamme de fréquences allant jusqu'à 45 MHz. Divers dépôts métalliques d'une épaisseur de l'ordre du micromètre sur substrat de silicium ont été caractérisés. Des méthodes d'inversion innovantes basées sur les réseaux de neurones et l'analyse multimodale ont été développées. Celles-ci ont été validées à l'aide de simulations par éléments finis et ont permis d'obtenir les caractéristiques recherchées. Des études complémentaires originales ont aussi mis en évidence la possibilité d'obtenir à partir de motifs spécifiques de surface des effets similaires à ceux d'une lentille acoustique sélective en fréquence.

Par ailleurs, le Contrôle Non Destructif sans contact présente aussi beaucoup d'intérêt dans le domaine du transport et de la sécurité des installations associées. Grâce au projet ECOCND (programme ANR ECOTECH), nous nous sommes particulièrement intéressés à la caractérisation de défauts de type fissures par une analyse multi-ondes originale incluant les phénomènes de conversion de modes. Dans ce cadre, différentes expériences et simulations ont montré qu'il était possible d'optimiser les contrôles effectués jusqu'à présent afin d'obtenir certains paramètres caractéristiques du défaut considéré.

[MST 2015, QNDE 2017, COFREND 2017, CFA 2018, 2022, ULTRASONICS 2020 ...]

En Ultrasons-Laser, les travaux en cours s'intéressent à l'adhérence des revêtements ainsi qu'à la caractérisation des défauts pouvant impacter ceux-ci. D'autres études sont aussi effectuées dans le but de mieux comprendre, interpréter et prédire les divers phénomènes de diffraction des ondes acoustiques sur une singularité de la structure. L'optimisation des sources thermoélastiques pour le Contrôle Non Destructif fait aussi l'objet de nombreux développements. Finalement, la mise en œuvre d'un interféromètre photoréavtif permettra également de renforcer nos possibilités d'investigation sans contact.

• Université de Tongji (Shanghai).
• Université Libanaise.
• Université Catholique de Louvain (Programme Hubert Curien).
• IRT Railenium (Projet CUSCIF).
• CEA, Institut de Soudure, Ixtrem, Holo3 (Projet ANR ECOCND).
• CETIM, AREVA, VALLOUREC, SKF.

• "Contribution au Contrôle Non Destructif et à la caractérisation de structures par Ultrasons-Laser. Optimisation de la génération et de la détection sans contact."
• "Caractérisation de l'adhérence des revêtements et de leurs défauts par ondes de surface et guidées générées et détectées par sources laser."