Le groupe TPIA

L'activité acoustique et ultrasonore du groupe TPIA concerne le domaine de l'acoustique physique et les thèmes de recherche visent globalement à comprendre les phénomènes d'interaction des ondes ultrasonores avec la matière.

Coordonnateur : Frédéric JENOT

Permanents : Jamal ASSAAD, Farouk BENMEDDOUR, Lynda CHEHAMI, Meriem CHRIFI ALAOUI, Christophe DELEBARRE, Marc  DUQUENNOY, Frédéric JENOT, Emmanuel MOULIN, Mohammadi OUAFTOUH, Mohamed OURAK, Bogdan PIWAKOWSKI, Wei-Jiang XU

Doctorants : H. Achdjian (<01/15), H. Alhousseini (<01/21), W. Ben Khalifa (<04/13), M. Baher, R. Bahouth, L. Chehami (<01/16), B. Chen (<08/19), C. Ciccarone (<11/20), T. Druet (<12/17), H. El Rammouz (<03/21), F. Faese (<01/14),           D. Fall (<05/16), S. Fourez (<06/13), A. Hadji, S. Hebaz (<07/18), H. Hoang (<12/20), K. Hourany (<01/16), T. Kadi (<07/21), M. Karam, M. Kiassi, K. I. Kossonou (<06/14), B. Lafarge (<07/18), J. Li (<01/18), Q. Liu (<01/15), N. Maglaoui (<05/15), B. Ndao (<01/17), S. Ndao (<03/20), V. Nowinski (<08/16), M. Robin (<08/19), L. Sadoudi (<08/16), F. Smime (<12/18), R. Takpara (<01/16), M. Terzi

Présentation

L'activité acoustique et ultrasonore du groupe TPIA concerne le domaine de l'acoustique physique et les thèmes de recherche visent globalement à comprendre les phénomènes d'interaction des 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 35 ans, au sein du département d'Opto-Acousto-Electronique (IEMN - Site de Valenciennes), dans le domaine des ultrasons et de leurs interactions 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 influencées par une tradition de recherche développée au sein des équipes CND (Contrôle Non Destructif) et TRUST (TRansducteurs Ultrasonores : Sécurité dans le Transport), les thématiques de recherche du groupe sont très ouvertes aux évolutions technologiques (microélectronique, MEMS) 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 des problèmes inverses.

Ces thématiques prennent toute leur importance notamment avec l'émergence de matériaux nouveaux tels que ceux à surface fonctionnelle (revêtus de couches fines ou minces) ou à gradient de propriétés (couramment utilisés dans le domaine du transport par exemple). Elles s'inscrivent aussi pleinement dans les enjeux socio-économiques liés aux développements industriels tels que ceux relatifs aux méthodes de Contrôle Non Destructives.

Les publications du groupe TPIA

Thématiques de recherche

Les thématiques du groupe relèvent des Sciences Pour l'Ingénieur (SPI) et s'articulent autour de trois thématiques cohérentes et complémentaires dont le socle est le Contrôle Non Destructif :

  • Transduction et capteurs ultrasonores
  • Propagation - Acoustique guidée et problèmes inverses
  • Imagerie Acoustique par capteurs répartis

Ces activités de recherche permettent au groupe TPIA de couvrir un large spectre dans le domaine des ultrasons puisqu'elles vont de la génération de divers types d'ondes jusqu'à la résolution des problèmes inverses et l'imagerie acoustique. Nos thématiques sont bien établies et disposent de leurs propres sources de financement et de collaborations.

La thématique "Transduction et capteurs" porte sur le développement et l’optimisation de transducteurs et de capteurs ultrasonores pour la caractérisation et le contrôle non destructifs.

Le volet "transduction" de cette thématique concerne en particulier le développement de transducteurs interdigités de type SAW (Surface Acoustic Wave) pour générer des ondes ultrasonores de surface ou guidées sur une large gamme de fréquences (20-300 MHz).

Cette solution permet, via ces transducteurs IDT déportés, de caractériser les surfaces de structures sans les altérer et d'envisager des caractérisations de surfaces fragiles ou transparentes. En fonction des caractérisations différentes configurations de transducteurs sont développées (mono-fréquentiel, large bande) et plusieurs excitations peuvent être envisagées (impulsionnelle, burst, chirp, etc.). La plateforme Wavesurf permet la mise en œuvre de ces transducteurs. Par ailleurs, il s’agit également du développement de transducteurs piézoélectriques haute fréquence mono- ou multi- éléments et de réseaux de type PMUT au-delà de 20 MHz.

Le volet "Capteurs ultrasonores" concerne essentiellement le développement de capteurs SAW (Surface Acoustic Wave) sensibles à différentes caractéristiques comme par exemple le suivi de l’humidité et de la pression en hautes températures pour des applications de monitoring in situ des bétons. Des recherches sont également menées pour rendre ces capteurs souples et/ou autonomes et communiquant sans fil.

Figure 1 : Caractérisation de capteurs SAW

La thématique "Propagation - Acoustique guidée et problèmes inverses" a pour objectifs d'améliorer et d'optimiser la caractérisation de diverses structures en exploitant les propriétés des ondes acoustiques de surface et guidées. 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 avec ou 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 a permis d’optimiser fortement 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 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 des modes guidés dans une structure couche sur substrat obtenues par Ultrasons-Laser

La thématique "Imagerie acoustique par capteurs 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 santé et le suivi de composants de structures de géométries complexes (voilures et coques aéronautiques, carrosseries automobiles, composants ferroviaires, circuiteries hydrauliques...).

L'une des principales idées 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 (encore appelées sources "ambiantes" ou "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 l'utilisation des réseaux de capteurs ultrasonores passifs (récepteurs uniquement), donc à 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. Cette thématique est désormais bien établie et jouit d'une reconnaissance notable dans la communauté transdisciplinaire de "l'imagerie par corrélation de champs ambiants".

Figure 3 : Détection d'endommagement par méthode acoustique passive

Champs de compétences et domaines d'expertise

  • Contrôle & Evaluation Non Destructifs
  • Contrôle-santé intégré
  • Estimation des contraintes résiduelles – Acoustoélasticité > pdf : Acoustoélasticité - Estimation des contraintes résiduelles
  • Signature acoustique des matériaux, V(z)
  • Spectroscopie de résonances ultrasonores des ondes de surface
  • Ultrasons-Laser

Sujets de thèse ou de stage

Les sujets de thèse proposés par le groupe TPIA sont notamment diffusés sur le site web de l'Ecole Doctorale PHF ( https://www.adum.fr/as/ed/proposition.pl ). Ils se rapportent généralement aux spécialités "Acoustique" et "Micro-nano systèmes et capteurs ".

Formation par la recherche

Les membres du groupe TPIA sont fortement impliqués dans les enseignements liés aux SPI au sein de l'INSA Hauts-de-France.

Collaborations

Collaborations académiques

  • Projet Européen :

ALAMSA : Université de Bath (UK)
CUBISM et TRANSPORT (Bel. et Fr.) 

ANR

DACLOS (JCJC)
ECOCND : CEA LIST, Institut de Soudure
PASNI : Institut Langevin (ESPCI), INSA Lyon-LaMCoS      
PANSCAN : Institut Langevin (ESPCI), INSA Lyon-LaMCoS
SENSO : IFSTTAR, I2M (Bordeaux), LMDC (INSA Toulouse), LCND (Univ. Méditerranée)
ENDE : IFSTTAR, I2M, LMDC, LCND, ISTERRE
OVMI : ONERA, GIPSA, SATIE
IN-ART : LPPI, ONERA

  • Programme Hubert Curien : Université Catholique de Louvain (Bel.)
  • Projet ACDC-C2D2 : LMA-LCND, LMDC, I2M, IFSTTAR

Projet transducteurs 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
ENDE : EDF, MISTRAS
PASNI : EADS
SENSO : EDF, GETEC, EXAM -BTP, SOVEP

  • Thèses CIFRE : VALLOUREC, SKF AEROSPACE, SOBEN
  • Thèse IRT Railenium (projet CUSCIF)
  • Projet ACDC-C2D2 : EDF
  • Etudes de faisabilité :

ADES (Fr.), CTIF (Fr.), EDF (Fr.), NCA TECHNOLOGIES (Bel.), CEV VALLOUREC (Fr.), ST GOBAIN GLASS (Fr. & Bel.), GLAVERBEL (Bel.), AIRBUS (Fr.), SKF (Fr.), CLARIANCE (Fr.)

Soutiens

Europe, Etat, Région Hauts-de-France : FEDER, Interreg, FP7, ANR, OSEO, (Arcir CECET), CPER CISIT, CPER ELSAT, IRT RAILENIUM, FR CNRS TTM

UPHF - Campus Mont Houy - 59313 Valenciennes Cedex 9 | +33 (0)3 27 51 12 34

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