Ultrasonic and acoustic localization and characterization in complex environments
Localisation et caractérisation ultrasonores et acoustiques en environnements complexes
Résumé
The research work presented in this manuscript concerns the development of ultrasonic and acoustic methods for source localization (1st axis) and the characterization of complex structures and objects in complex environments (2nd axis). These researches have been carried out mainly for non-destructive testing and underwater acoustics applications. The development of methods of localization and characterization is based on the resolution of a problem of Signal to Noise Ratio (SNR) which can be maximized by the use of low noise measurement devices with as many sensors as possible, or by measurements in a simple environment, that is to say, isotropic, homogeneous, infinite and low attenuation. However, in the various applications inspected in this work, the SNR is compromised because the inspected structure or the inspected environment are generally finite and attenuating, and depending on the case, may be anisotropic (e.g., multi-pass welding), reverberant (marine waveguide) and diffuse (concrete specimen). In this case, the signature of the source to be located or the object to be characterized is masked by the drop in amplitude caused by attenuation, possible beam deviations related to anisotropy or multiple interactions of the wave with the medium (multiple reflections or reverberation with the edges of the medium, diffraction and scattering by diffusers). In addition, the inverse problems of localization and characterization are affected by the access to limited information of the medium due to the limitation of measurements for reasons of experimental implementation.
Different strategies based on a perturbative approach have been adopted to localize a source or characterize a complex structure in such environments. In the presence of sufficient a priori knowledge to develop a numerical model of the inspected environment, a parametric approach based on the topological energy method and then the matched filtering are examined. In the opposite case of low level of a priori information, a data based strategy is adopted for feeding the forward problem with measurements and approaches of beamforming, matched filtering, field correlation, interferometry and sensitivity kernels are implemented.
In the framework of my second research project on characterization in diffuse media, I examined two problematics. The first one concerns the characterization of a diffuse medium for civil engineering applications for the monitoring and evaluation of damage at the earliest possible stage of concrete structures from the analysis of the first and second order moments of the ultrasonic field. While the second problematic concernes the characterization of a radiating elastic object immersed in a diffuse field. In this context, the approach is based on the analysis of the coherence between sensors combined with acoustic holography methods.
Les travaux de recherches présentés dans ce manuscrit portent sur le développement de méthodes ultrasonores et acoustiques à des fins de localisation de sources (1er axe) et de la caractérisation de structures complexes et d'objets en environnements complexes (2ème axe). Ces recherches ont été menées principalement pour des applications en contrôle non destructif et en acoustique sous-marine. Le développement de méthodes de localisation et caractérisation repose sur la résolution d'un problème de Rapport Signal sur Bruit (RSB) qui peut être maximisé par l'utilisation de dispositifs de mesure peu bruités et comportant le plus possible de capteurs de mesures, ou par des mesures dans un environnement simple, c'est-à-dire isotrope, homogène, infini et peu atténuant. Or dans les différentes applications inspectées dans ces travaux, le RSB est mis à mal car la structure inspectée ou le milieu ausculté sont généralement finis et atténuants, et selon le cas, peuvent être anisotropes (par exemple, soudure multi-passe), réverbérants (guide d'onde marin) et diffus (éprouvette de béton). Dans ce cas, la signature de la source à localiser ou de l'objet à caractériser se trouve masquée par la baisse d'amplitude engendrée par l'atténuation, les possibles déviations de faisceau liées à l'anisotropie ou les interactions multiples de l'onde avec le milieu (réflexion multiples ou réverbération avec les bords du milieu, diffraction et diffusion par des diffuseurs). Par ailleurs, les problèmes inverses de localisation et caractérisation se trouvent affectés par l'accès à une information limitée du milieu du fait de la limitation des prises de mesures pour des raisons de mise en oeuvre expérimentale.
Différentes stratégies reposant sur une approche perturbative ont été adoptées pour localiser une source ou caractériser une structure complexe dans de tels environnements. En présence de connaissances a priori suffisantes pour élaborer un modèle numérique du milieu inspecté, une démarche paramétrique basée sur la méthode de l'énergie topologique puis le filtrage adapté est adoptée. Dans le cas contraire (faible niveau d'information a priori), la stratégie adoptée est axée sur l'alimentation du problème direct à partir de la mesure en mettant en oeuvre des approches de formation de voies, de filtrage adapté, de corrélation de champ, d'interférométrie ou basée sur les noyaux de sensibilité.
Dans le cadre de mon deuxième volet de recherche sur la caractérisation en milieu diffus, je me suis intéressée notamment à deux problematiques. La première concerne la caractérisation d'un milieu lui-même diffus pour des applications en génie civil pour le suivi et l'évaluation de l'endommagement à un stade le plus précoce possible de structures en béton à partir de l'analyse des moments d'ordre 1 et 2 du champs ultrasonore. Tandis que la deuxième problématique inspectée est celle de la caractérisation d'un objet élastique rayonnant immergé dans un champ diffus. Dans ce cadre, l'approche repose sur l'analyse de la cohérence entre capteurs combinée à des méthodes d'holographie acoustique.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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