Imagerie Acoustique par capteurs répartis

Responsable : Emmanuel MOULIN

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...)

Résultats majeurs récents

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
  • 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 1 : Exemple de localisation passive d'un défaut à partir d'un bruit de frottement

  • 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 2 : 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

  • 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 3 : Conversion BF-US par résonateurs à contact frottant

Ces travaux ont été réalisés notamment dans le cadre des projets et collaborations ci-dessous :

  • Projet Blanc ANR PASNI (2012-2016), piloté par IEMN/TPIA, partenaires : Institut Langevin Paris, LaMCoS Lyon.
  • Collaboration avec le CEA (thèses en commun) et l’Université de Rome la Sapienza (publications communes).

Travaux en cours - Prospectives

Les résultats obtenus à ce jour ont été obtenus en conditions de laboratoire. Les travaux futurs se concentreront notamment sur le problème de l’application des techniques développées en conditions réelles. En particulier, l’exploitation des propriétés non-linéaires des endommagements pourrait permettre une plus grande robustesse dans la détection. Ceci est la base du projet ANR PANSCAN, démarré fin 2018 (leader IEMN, partenaires Institut Langevin, LaMCoS, soutien AIRBUS).

Par ailleurs, le croisement des compétences développées à l'IEMN laisse entrevoir le potentiel de cette thématique à fédérer des activités transversales, afin d'aboutir à des solutions réalistes et convaincantes notamment dans le cadre des applications relatives au transport.

Collaborations

Institut Langevin, LaMCoS, Université de Rome la Sapienza, CEA, Airbus.
Internes IEMN : groupes COMNUM, AIMAN.