Rozprawy doktorskie na temat „Guided elastic waves”

Les matériaux à gradient d'indice de réfraction (GRIN) présentent des propriétés mécaniques variant en temps ou/et en espace. Ils ont été testés pour des applications prometteuses dans de nombreuses applications d'ingénierie, comme pour le contrôle santé structurale ou la surveillance de structure (SHM), le contrôle des vibrations et bruit, la récupération d'énergie, etc. D'un autre côté, les matériaux piézoélectriques offrent la possibilité de réaliser des cellules composites dont les propriétés mécaniques peuvent être contrôlées en ligne. Motivé par ces deux approches, cette thèse étudie la mise en œuvre de structures GRIN adaptatifs pour le contrôle des ondes élastiques. Deux types de structures GRIN adaptatifs sont étudiés dans ce travail. Le premier exemple concerne la mise en œuvre d'une lentille piézoélectrique dans une plaque. Il est composé de patchs piézoélectriques shuntés, collés périodiquement en surface du guide d'ondes. Les circuits de shunt utilisés permettent d'émuler une capacité négative (NC). En accordant les valeurs de NC on peut ajuster l'indices de réfraction du milieu à l'intérieur de la lentille piézoélectrique et pour satisfaire une fonction sécante hyperbolique. Les résultats numériques montrent que les lentilles piézoélectriques peuvent alors focaliser les ondes de flexion de la plaque sur les points focaux. La lentille piézoélectrique est efficace dans une grande bande de fréquences et efficace dans une grande plage de fonctionnement. Ainsi elle peut focaliser des ondes sur différent points par simple ajustement des valeurs de NC réalisés par le circuit. Cette focalisation adaptative la rend très intéressante pour de nombreuses applications comme la récupération d'énergie ou le SHM. La mise en œuvre de ces techniques pour la récupération d'énergie est discutée dans cette thèse. Le second exemple concerne l'étude d'une structure dont les propriétés mécaniques sont contrôlées en temps et en espace. En particulier, une modulation périodique permet de créer une onde artificielle se propageant dans la structure. L'interaction avec des ondes mécaniques entraîne une rupture de réciprocité visible dans un diagramme de bande non symétrique. De nombreux phénomènes inhabituels sont observés dans ce type de structures variables : fractionnement des fréquences, conversion d'ondes et transmission unidirectionnelles. Deux types de conversion fréquentielle sont démontrés et expliqués. Le premier est induit par la transmission d'énergie entre les différents modes Bloch et le second type est dû à la diffusion de Bragg dans les structures modulées. La transmission unidirectionnelle des ondes pourrait être exploitée pour réaliser des diodes dans des systèmes infinis ou semi-infinis. Cependant, la transmission unidirectionnelle n'existe pas dans les systèmes finis en raison des phénomènes de conversion de fréquence
GRadient INdex (GRIN) media are those whose properties smoothly vary in space or/and time. They have shown promising effects in many engineering applications, such as Structural Health Monitoring (SHM), vibration and noise control, energy harvesting, etc. On the other hand, piezoelectric materials provide the possibility to build unit cells, whose mechanical properties can be controlled on-line. Motivated by these two facts, adaptive GRIN structures, which can be realized using shunted piezoelectric materials, are explored in this dissertation to control guided elastic waves. Two types of adaptive GRIN structures are studied in this work. The first type is a piezo-lens. It is composed of shunted piezoelectric patches bonded on the surfaces of plates. To control the mechanical properties of the piezoelectric composite, the piezoelectric patches are shunted with Negative Capacitance (NC). By tuning the shunting NC values, refractive indexes inside the piezo-lens are designed to satisfy a hyperbolic secant function in space. Numerical results show that the piezo-lens can focus waves by smoothly bending them toward the designated focal point. The piezo-lens is effective in a large frequency band and is efficient in many different working conditions. Also the same piezo-lens can focus waves at different locations by tuning the shunting NC values. The focusing effect and tunable feature of piezo-lens make it useful in many applications like energy harvesting and SHM. The former application is fully discussed in this thesis. The focusing effect at the focal point results in a known point with high energy density, therefore harvesting at the focal point can yield more energy. Besides, the tunable ability makes the harvesting system adaptive to environment changes. The second type is the time-space modulated structure. Its properties are modulated periodically both in time and space. Particularly, the modulation works like a traveling wave in the structure. Due to the time-varying feature, time-space modulated structures break the reciprocity theorem, i.e., the wave propagation in them is nonreciprocal. Many unusual phenomena are observed during the interaction between waves and time-space modulated structures: frequency splitting, frequency conversion and one-way wave transmission. Two types of frequency conversion are demonstrated and explained. The first type is caused by energy transmission between different orders Bloch modes. The second type is due to the Bragg scattering effect inside the modulated structures. The one-way wave transmission could be exploited to realize one-way energy insulation in equivalent infinite or semi-inffnite systems. However, the one-way energy insulation fails in finite systems due to the frequency conversion phenomenon

Thesis (Ph. D.)--West Virginia University, 2009.
Title from document title page. Document formatted into pages; contains vi, 84 p. : ill. (some col.). Includes abstract. Includes bibliographical references (p. 79-84).

Les ondes élastiques guidées émises et reçues par des transducteurs piézoélectriques minces sont reconnues comme une technologie prometteuse pour plusieurs applications de surveillance de l'état de santé des structures (ou Structural Health Monitoring - SHM), en particulier pour les composants aérospatiaux. La démonstration des performances de ces systèmes, souvent exprimées en termes de courbe de probabilité de détection (POD), est un élément clé du déploiement réussi de cette technologie dans l'industrie. La détermination expérimentale de la courbe POD nécessite de nombreux échantillons instrumentés, ce qui rend son coût prohibitif. Une approche basée sur la simulation, ou assistée par un modèle, est une alternative intéressante. Cependant, la simulation de systèmes SHM basés sur les ondes guidées et la détermination de la courbe POD de tels systèmes sont jusqu'à présent limitées en raison d'un manque de méthodologie spécifique, de procédures, de méthodes statistiques appropriées et de validation. Cette thèse propose une méthodologie générale pour une approche POD assistée par la simulation de système SHM par ondes guidées, avec une démonstration sur la surveillance d'une fissure croissante à partir d'un trou dans une plaque d'aluminium. La méthodologie tire parti de l'outil de simulation par éléments finis spectraux transitoires dans le domaine temporel développé au CEA-List (module CIVA SHM) qui permet d'exécuter les grandes campagnes de simulation nécessaires pour déterminer une courbe POD. Un nouveau modèle d'actionneur hybride a été proposé dans ce travail en considérant le comportement dépendant de la fréquence du transducteur et la contrainte normale en plus de la contrainte radiale comme charges surfaciques afin de permettre l’utilisation de la simulation sur une plus grande gamme de fréquences d'excitation, adaptées à l'application visée. Deux méthodes récentes et appropriées d’un point de vue statistique : la « longueur à la détection » et « random effects », ont ensuite été adaptées pour estimer et comparer la courbe POD à partir des ensembles de données expérimentales et simulées. L'approche bayésienne s'est avérée plus utile que l'estimation du maximum de vraisemblance pour l'estimation des paramètres du modèle de la méthode random effects afin de comparer la limite d'incertitude pour chaque paramètre du modèle à partir des ensembles de données expérimentales et simulées. Enfin, une étude de détermination de la taille de l'échantillon a été menée sur la base de la méthode random effects afin d'identifier le nombre d'échantillons nécessaires pour répondre aux exigences d'une application SHM particulière. Tous ces résultats montrent une grande confiance dans l'approche assistée par la simulation pour l’estimation de la POD et confirment le potentiel de cette solution en tant qu'outil compatible avec les exigences industrielles pour la démonstration des performances des systèmes SHM basés sur les ondes guidées
Guided elastic waves emitted and received by thin piezoelectric transducers are recognized as a promising technology for several applications of Structural Health Monitoring, especially of aerospace components. Demonstration of the performances of such systems, often expressed in terms of Probability Of Detection (POD) curve, is a key enabler of the successful deployment of the technology in industry. POD curve experimental determination requires many instrumented samples making its cost prohibitive. A simulation-based approach, or model-assisted, is an attractive alternative. However, simulation in guided waves-based SHM and POD determination of such systems are so far limited due to a lack of specific methodology, procedures, appropriate statistical methods, and validation. This thesis proposes a general methodology for a model-assisted POD approach of guided waves based SHM, with a demonstration on monitoring of a growing crack from a hole in an aluminum plate. The methodology benefits from the efficient time domain transient spectral finite element simulation tool developed at CEA-List (CIVA SHM module) that allows to run the large simulation campaigns required to determine a POD curve. A new hybrid actuator model has been proposed in this work by considering the transducer frequency dependent behaviour and normal stress in addition to radial stress as a surface loads to enable the use of simulation on a higher range of excitation frequencies, suitable for the targeted application. Two recent suitable statistical methods: length-at-detection and random effects, have then been adapted to estimate and to compare the POD curve from both experimental and simulated datasets. The Bayesian approach is found to be more useful in model parameter estimation of random effects method for comparing the uncertainty bound for each model parameter from experimental and simulated datasets than Maximum Likelihood Estimation. Finally, a sample size determination study has been conducted based on the random effects method to identify how many samples are required to achieve the requirement of a particular SHM application. All these results show great confidence in the model-assisted approach to POD estimation methodology and confirm the potential of this solution as a cost-effective tool for performance demonstration of guided waves-based SHM systems

La détection de gaz potentiellement dangereux représente une problématique d’actualité pour la protectiondes personnes mais aussi un enjeu d’avenir pour le stockage des énergies renouvelables. Les outils desimulations développés au sein du Département Temps-Fréquence de l’Institut FEMTO-ST, associés aux outilstechnologiques proposés par la centrale MIMENTO ont permis la mise au point de capteurs SAW apportantdes réponses à ces problématiques. Ces derniers fondés sur les propriétés des ondes de Love ont ainsi permis ladétection du monoxyde de carbone dans la gamme du ppm. De même, la mesure de concentration d’hydrogènede l’ordre du pourcent a pu être réalisée par le biais de dispositifs s’appuyant sur les ondes Rayleigh. Les effortsfournis pour l’optimisation des dispositifs électro-acoustiques ont aboutis à la réalisation de lignes à retard surquartz affchant des pertes d’insertion de 16 dB. La limitation de ces pertes, généralement de l’ordre de 25 dB à30 dB sur quartz, augmente les potentialités de nos capteurs en terme d’autonomie et de fonctionnalisation desurface. La connaissance des phénomènes physiques gouvernant leur fonctionnement représente, à notre sens,la base de leur développement futur. De cette idée découle notre démarche d’identification et de compréhensionde ces derniers par le biais des différentes techniques de caractérisations et d’analyses disponible au sein denotre l’institut. Des pistes, telles que le recours à un alliage métallique pour la fonctionnalisation des surfacessensibles et la mise en œuvre d’une méthode de séparation des puces limitant les perturbations du signal directdes dispositifs électro-acoustiques, ont été explorées et ont permis d’améliorer la réponse des capteurs. Lepotentiel des composants à ondes élastiques guidée pour la détection de grandeurs chimiques en phase gazeusea pu être établi sur la base des résultats expérimentaux obtenus au cours de cette thèse. Dans la continuité decette dernière, deux projets de recherche (P-AIR et SMARTY) visant le contrôle de la qualité de l’air en milieuurbain ont d’ors et déjà été engagés
The detection of hazardous gas is a topical issue for the protection of persons. Besides, it represents a challenge linked to the storage of renewable energy. Simulation tools developed within the Time and Frequency Department attached to the FEMTO-ST Institute together with technological facilities available at MIMENTO center have enabled the development of SAW sensors providing answers to these issues. These Love wave’sbased sensors properties have enabled the detection of carbon monoxide in the ppm range. Similarly, hydrogen concentrations of the percent order has been measured by mean of Rayleigh wave’s based sensors. The efforts to optimize electro-acoustic devices have led to achieve delay lines built on quartz with insertion losses of 16 dB.Usually around 25 dB to 30 dB, the reduction of the insertion losses improves the potential of these sensorsin terms of autonomy and surface functionalization. Knowledge of the physical phenomena governing theoperation of these sensors represent the basis of their future development. Thus, different characterization and analysis techniques available in our institute have been carried out to reveal these phenomena. From there, the functionalization of sensor’s sensitives surfaces with metallic alloys and implementation of a chip separation method limiting the disturbance of the direct signal of the electro-acoustic devices, have been explored to improve the performance of the sensors. Based on the experimental results obtained in this thesis, the potential of elastic guided wave’s sensors applied to the detection of chemical quantities in gas phase can be established.In continuation of this study, two projects (P-AIR and SMARTY) dedicated to the control of the urban air quality have already been engaged

Borehole sonic measurements are an important tool to characterize formation and completion properties of hydrocarbon or water reservoirs. Such measurements can provide direct information about rock physical parameters such as permeability or elastic moduli. These properties are obtained from guided waves propagating along boreholes. The so called tube wave or Stoneley wave is a symmetric mode which compresses the fluid column leading to a piston like motion. If the medium around the borehole wall is permeable, the radial expansion of the fluid column will result in fluid flow across the borehole wall. This results in a sensitivity of the tube wave signature to the permeability of the surrounding formation which manifests itself in a characteristic dispersion and attenuation of the tube wave. Information about the permeability of the surrounding formation provides essential knowledge for reservoir characterization.In addition to the traditional method of using tube wave signatures for formation permeability estimations, the same approach may be used for production monitoring. In sand reservoirs a complicated borehole completion is installed during the production phase for the purpose of controlling sand production. In such a setup highly permeable layers such as a sand screen or a gravel pack are used to prevent sand production.The problem with such completions is that they are very expensive to install and susceptible to plugging or corrosion. No permanent surveillance tool exists to date which allows diagnosis of problems in sand-screened deepwater completions. However, the recently proposed Real-Time Completion Monitoring (RTCM) uses the signature of tube waves to identify permeability changes: the increase of the tube wave velocity can indicate a decrease of permeability and vice versa. Therefore, RTCM has potential to identify problems in sand-screened deepwater completions.In order to understand the acoustic response of such deepwater completions, the dispersion and attenuation of tube waves in this complicated setup needs to be studied. To this end I have developed a modelling algorithm based on a spectral method. The developed algorithm computes the dispersion and attenuation of borehole modes propagating in a cylindrically layered structure with an arbitrary number of fluid, elastic and poroelastic layers. The numerical algorithm discretizes the medium along the radial axis using Chebyshev interpolation points derived from Chebyshev polynomials. The differential operators are discretized using spectral differentiation matrices. Thus, for any number of layers, the corresponding equations can be expressed as a generalized algebraic eigenvalue problem. For a given frequency, the eigenvalues correspond to the wavenumbers of different modes. The eigenvectors, computed along with the eigenvalues, correspond to the displacement potentials. They can be used to obtain the variation of displacement and stress components along the radius of the structure.In this thesis the spectral method was first developed for structures with an arbitrary number of fluid and elastic layers. Subsequently, the algorithm was extended for poroelasticity. The results produced by the modelling program are benchmarked against analytical solutions. Such analytical solutions are known for elastic and poroelastic cylinders as well as fluid filled tubes. The tube wave dispersion in a fluid-filled borehole surrounded by an elastic or poroelastic formation obtained with the spectral method was compared to the analytical low-frequency solution.I obtained the dispersion of the two tube waves propagating in a four layer completion model: fluid – permeable sand-screen – fluid – elastic casing. Varying the permeability of the sand-screen layer allowed me to account for the effect of fluid flow across this layer. Being able to obtain the acoustic response can help to identify broken fluid communication which increases the tube wave velocity. A corroded sand-screen has an extremely attenuated tube wave signature.Furthermore, I have implemented the more complex model of a borehole surrounded by an altered zone in the algorithm. Due to drilling damage the altered zone is an area of reduced permeability. In order to account for the effect of the altered zone on the tube wave signature, up to ten layers were used with stepwise increase of permeability from the borehole towards the formation. Overall, the spectral method proved to be a valuable algorithm to model wave propagation in cylindrical structures.Using borehole modes to evaluate the physical properties of the formation or completions is an important application. However, in borehole seismic modelling, such as crosshole or VSP, it is also important to account for the effect of boreholes and the associated modes. Since the borehole radius is a thousand times smaller then the investigated volume it would require a prohibitively small grid size to explicitly model the borehole. However, it is possible to effectively represent a borehole as a superposition of point sources. This mimics the presence of borehole modes. In order to implement this technique for poroelasticity, it is necessary to model source signatures in poroelastic media. To this end I have analyzed the radiation characteristics and moment tensor solutions for various source types. Together with the spectral method these point source representations can be used to model the effect of boreholes. This will pave the way for more efficient poroelastic seismic modelling in various fluid-filled boreholes and completions.

Un système SHM par ondes guidées a pour but d'évaluer l'intégrité d'une grande variété de structures fines, telles que les fuselages d'avions, les tuyaux, les réservoirs, etc. Un tel système est basé sur un réseau de capteurs piézoélectriques pour l'excitation et la mesure des ondes guidées. Cette méthode de SHM par ondes guidées est prometteuse pour l'inspection de structures de grande taille, ces ondes se propageant sur de grandes distances avec peu d'atténuation, tout en étant sensibles aux défauts surfaciques et subsurfaciques.Cette thèse présente les travaux menés dans le but de développer un système de SHM par ondes guidées capable de détecter, localiser et dimensionner efficacement les défauts dans des structures aéronautiques assimilables à des plaques, en matériaux composites ou en aluminium. Des simulations et des méthodes d'apprentissage sont utilisées pour déterminer les caractéristiques principales des ondes guidées propagées, notamment les vitesses de phase et de groupe ainsi que la fonction de Green 3D. Celles-ci sont ensuite utilisées pour traiter les signaux des ondes guidées afin de produire des images représentant l'intégrité des structures étudiées. Ce travail comprend également une étude approfondie des algorithmes d'imagerie DAS, MV et Excitelet, les plus prometteurs parmi ceux de la littérature, une évaluation de leurs performances par analyse statistique sur une grande base de données de résultats de simulations d'imagerie par ondes guidées et propose une méthode d'imagerie parcimonieuse.Alors que la détection et la localisation des défauts à partir de l'analyse des images est aisée, le dimensionnement du défaut est un problème plus complexe en raison de sa forte dimensionnalité et de sa non-linéarité. Il est démontré que ce problème peut être résolu par des méthodes d'apprentissage automatique sur une grande base de données de résultats de simulations d'imagerie par ondes guidées. Ces méthodes d'imagerie nécessitent cependant une référence, mesurée sur la structure dans un état supposé sain. Elles sont efficaces dans des conditions opérationnelles stationnaires mais sont sensibles aux variations de l'environnement et notamment aux fluctuations de température.Ce travail présente donc l'étude de la robustesse face aux effets thermiques des méthodes d'imagerie par ondes guidées et propose un modèle de détection de défauts capable d'analyser des résultats d'imagerie détériorés. Plusieurs techniques de compensation des effets thermiques sont étudiées et des améliorations sont proposées. Leur efficacité est validée pour les plaques d'aluminium mais des améliorations supplémentaires sont nécessaires pour les étendre aux plaques de composites
A guided wave-based structural health monitoring (SHM) system aims at determining the integrity of a wide variety of plate-like structures, including aircraft fuselages, pipes, tanks etc. It relies on a sparse array of piezoelectric transducers for guided waves (GWs) excitation and sensing. With a number of benefits, these waves are standing out among other methods as a promising method for the inspection of large structures. They can propagate on significant distances with small attenuation while being sensitive to surface and subsurface defects.This thesis presents studies conducted with the purpose of developing such a GWs-based SHM system that is capable of efficient defect detection, localization and sizing aeronautical plate-like structures made of aluminum and composite materials. Simulation and data-driven approaches are presented for determining principal characteristics of propagating GWs, namely modal group and phase velocities, 3D Green's functions etc. in structures of interest. They are then used for GWs signals processing in order to compute images representing the integrity of studied structures. This work also provides a comprehensive overview of DAS, MV and Excitelet defect imaging algorithms, determines their performance using statistical analysis of an extensive dataset of simulated guided waves imaging (GWI) results and proposes a method for sparse defect imaging.While defect detection and localization are straightforward from the image analysis, the defect sizing is a more complex problem due to its high dimensionality and non-linearity. It is demonstrated that this problem can be solved by means of machine learning methods, relying on an extensive database of simulated GWI results. Aforementioned defect imaging methods are baseline demanding. They are efficient under stationary operational conditions but vulnerable to environmental variations, especially to the temperature fluctuation.Finally, this work presents studies on the robustness of GWI methods against thermal effects, and a defect detection model capable of analyzing deteriorated GWI results is proposed. Different techniques for thermal effects compensation are reviewed, and improvements are proposed. Their effectiveness is validated for aluminum plates but further improvements are required to translate these techniques to composite plates

Les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques en couches minces se dressent comme des candidats prometteurs dans le domaine de la détection de champ magnétique de faible intensité et spatialement résolu, à température ambiante. Cette thèse porte donc sur l’étude du couplage piézo-magnétique dans les guides d’ondes électro-acoustiques hyperfréquences basés sur des couches minces nanostructurées à anisotropie uniaxiale, déposées sur substrats piézoélectriques. Premièrement, les structures investiguées sont constituées d’un empilement multicouche TbCo2/FeCo déposé sur un substrat de Quartz ST-X90°. Celles-ci permettent d’exploiter le mode transverse horizontal présentant la plus grande sensibilité. La possibilité d’induire, par le champ magnétique, une conversion de mode acoustique, pouvant potentiellement être utilisé dans la conception de capteurs de champ magnétique ultra-sensibles, est également démontrée. Cette étude permet aussi de valider le modèle théorique piézo-magnétique développé, par la mesure des variations de vitesse de phase des ondes élastiques guidées en fonction de l’intensité et de la direction du champ magnétique. Ensuite, deux concepts de mesure sont proposés afin d’améliorer la résolution de la mesure des capteurs, dépendante essentiellement du temps de transit de l’onde élastique dans la couche magnéto-élastique : la réflectométrie temporelle acoustique et l’exploitation d’un mode de cavité localisé dans la couche magnéto-élastique. Enfin, l’optimisation du couple anisotropie uniaxiale/magnétostriction de l’empilement multicouche TbCo2/FeCo est abordée, celui-ci jouant un rôle majeur dans la sensibilité et la dynamique des capteurs étudiés
Thin-film piezo-electro-magneto-elastic heterostructures stand out as promising candidates in the field of spatially resolved, low-intensity magnetic field detection at room temperature. Thus, this thesis focuses on the study of piezomagnetic coupling in microwave electro-acoustic waveguides based on nanostructured thin films with uniaxial anisotropy, deposited on piezoelectric substrates. Firstly, the investigated structures consist in a TbCo2/FeCo multilayer stack deposited on a ST-X90° Quartz substrate, to exploit the horizontal transverse mode presenting the highest sensitivity. The possibility to induce, via the magnetic field, an acoustic mode conversion, potentially usable in the design of ultra-sensitive magnetic field sensors, is also demonstrated. In addition, this study validated the developed theoretical piezo-magnetic model, by measuring the phase velocity variations of the guided elastic waves as a function of the intensity and direction of the applied magnetic field. Then, two measurement concepts are proposed in order to improve the resolution of the sensor measurement, which depends essentially on the transit time of the elastic wave in the magneto-elastic layer: the acoustic time domain reflectometry and the exploitation of a cavity mode located in the magneto-elastic layer. Finally, the optimization of the uniaxial anisotropy/magnetostriction couple of the TbCo2/FeCo multilayer stack is addressed, as it plays a major role in the sensitivity and dynamics of the studied sensors

Les hétérostructures piézo-électro-magnéto-élastiques en couches minces se dressent comme des candidats prometteurs dans le domaine de la détection de champ magnétique de faible intensité et spatialement résolu, à température ambiante. Cette thèse porte donc sur l’étude du couplage piézo-magnétique dans les guides d’ondes électro-acoustiques hyperfréquences basés sur des couches minces nanostructurées à anisotropie uniaxiale, déposées sur substrats piézoélectriques. Premièrement, les structures investiguées sont constituées d’un empilement multicouche TbCo2/FeCo déposé sur un substrat de Quartz ST-X90°. Celles-ci permettent d’exploiter le mode transverse horizontal présentant la plus grande sensibilité. La possibilité d’induire, par le champ magnétique, une conversion de mode acoustique, pouvant potentiellement être utilisé dans la conception de capteurs de champ magnétique ultra-sensibles, est également démontrée. Cette étude permet aussi de valider le modèle théorique piézo-magnétique développé, par la mesure des variations de vitesse de phase des ondes élastiques guidées en fonction de l’intensité et de la direction du champ magnétique. Ensuite, deux concepts de mesure sont proposés afin d’améliorer la résolution de la mesure des capteurs, dépendante essentiellement du temps de transit de l’onde élastique dans la couche magnéto-élastique : la réflectométrie temporelle acoustique et l’exploitation d’un mode de cavité localisé dans la couche magnéto-élastique. Enfin, l’optimisation du couple anisotropie uniaxiale/magnétostriction de l’empilement multicouche TbCo2/FeCo est abordée, celui-ci jouant un rôle majeur dans la sensibilité et la dynamique des capteurs étudiés
Thin-film piezo-electro-magneto-elastic heterostructures stand out as promising candidates in the field of spatially resolved, low-intensity magnetic field detection at room temperature. Thus, this thesis focuses on the study of piezomagnetic coupling in microwave electro-acoustic waveguides based on nanostructured thin films with uniaxial anisotropy, deposited on piezoelectric substrates. Firstly, the investigated structures consist in a TbCo2/FeCo multilayer stack deposited on a ST-X90° Quartz substrate, to exploit the horizontal transverse mode presenting the highest sensitivity. The possibility to induce, via the magnetic field, an acoustic mode conversion, potentially usable in the design of ultra-sensitive magnetic field sensors, is also demonstrated. In addition, this study validated the developed theoretical piezo-magnetic model, by measuring the phase velocity variations of the guided elastic waves as a function of the intensity and direction of the applied magnetic field. Then, two measurement concepts are proposed in order to improve the resolution of the sensor measurement, which depends essentially on the transit time of the elastic wave in the magneto-elastic layer: the acoustic time domain reflectometry and the exploitation of a cavity mode located in the magneto-elastic layer. Finally, the optimization of the uniaxial anisotropy/magnetostriction couple of the TbCo2/FeCo multilayer stack is addressed, as it plays a major role in the sensitivity and dynamics of the studied sensors

Cette thèse porte sur la modélisation de la propagation d’ondes élastiques guidées (OG) dans des structures fines - de type plaque - en vue de leur contrôle non-destructif (CND). Ces ondes sont générées par des traducteurs ultrasonores quelconques placés à la surface de la pièce - par exemple une céramique PZT ou un EMAT. On développe un modèle semi-analytique, nommé modèle du pinceau modal d’ondes guidées. Ce modèle se base sur les approximations de l’acoustique géométrique, ce qui le rend particulièrement performant du point de vue numérique et permet de simuler la propagation d’OG sur de longues distances plus rapidement qu’avec des modèles numériques classiques. Le champ de déplacement est alors prédit seulement aux points d’intérêt. Un pinceau peut être utilisé pour traiter de façon générique les réflexions multiples d’une onde sur les bords latéraux de la plaque. Le modèle prend également en compte aussi bien les matériaux métalliques (isotropes) que les matériaux composites (anisotropes) ; la plaque peut également être courbée et avoir des propriétés mécaniques continûment variables. Les formes d’ondes sont obtenues sous la forme de leur décomposition modale, ce qui facilite grandement leur interprétation. Enfin, des comparaisons avec un modèle d’éléments finis permettent de valider l’approche de pinceaux
This thesis focuses on the modelling of the propagation of elastic guided waves (GW) in thin plate like structures for their non-destructive testing (NDT). These waves are generated by any ultrasonic transducer positioned on the surface of the piece - for example, a PZT ceramic or an EMAT. A semianalytical model, the so-called GW modal pencil model, has been developed. It is based on the geometrical acoustic approximation, which makes it particularly efficient from a numerical point-of-view and able to simulate GW propagation over long distances faster than with conventional numerical models. The displacement field is then predicted only at the points of interest. The pencil model can be used to generically deal with multiple reflections of GW on plate edges. It also takes into account plates made of either metallic (isotropic) or composite (anisotropic) materials. The plate can be curved and have continuously variable mechanical properties. The waveforms are obtained in the form of their modal decomposition, which greatly eases their interpretation. Finally, comparisons with a finite element model allow the pencil approach to be validated

Le contrôle santé des structures (plus connu sous l’acronyme SHM pour Structural Health Monitoring) consisteà intégrer des capteurs dans une structure afin de suivre son état de santé en temps réel tout au long de sa vie.Les travaux de recherche menés dans cette thèse avaient pour objectif de développer une nouvelle approchede SHM pour la détection de corrosion/érosion dans les tuyaux. Ce manuscrit présente une nouvelle méthoded’imagerie quantitative, dite tomographie passive par ondes élastiques guidées, basée sur l’utilisation d’un réseauembarqué de capteurs piézoélectriques (PZT) écoutant et analysant uniquement le bruit élastique ambiant générénaturellement par la circulation de fluide dans des tuyaux. Cette technique passive offre de nombreux atouts pourun système SHM comme une diminution de sa consommation énergétique, un système électronique simplifié etla possibilité de réaliser une inspection lorsque la structure est en fonctionnement. La méthode passive permetaussi d’utiliser des nouveaux capteurs de type réseaux de Bragg sur fibre optique (FBG) qui présentent plusieursavantages par rapport aux capteurs classiques PZT (faible intrusivité, possibilité de multiplexage, résistance auxenvironnements sévères, etc.) mais qui ne sont pas capable d’émettre des ondes. Une première démonstration defaisabilité d’imagerie de corrosion/érosion par FBG est illustrée expérimentalement au travers d’une tomographiehybride dans laquelle l’émission d’ondes est réalisée par PZT et la réception par FBG. Toutes ces études offrent desperspectives prometteuses en vue de l’application de la tomographie passive sur des structures industrielles à l’aided’un système purement FBG. Parmi les principaux résultats présentés dans la thèse, nous montrons que les défautsde corrosion/érosion peuvent être caractérisés par tomographie sur un tube droit sans nécessité de recourir à unétat de référence. Cela est faisable à l’aide d’une nouvelle méthode d’auto-calibration des données développée danscette thèse et utilisée pour réaliser l’imagerie par tomographie. L’absence d’un état de référence rend la méthodetrès fiable et limite les fausses alarmes du système. Finalement, des études préliminaires de tomographie sur desstructures plus complexes comme un tube coudé ont été menées et validées numériquement
Structural Health Monitoring (SHM) consists in embedding sensors into a structure in order to monitor its health inreal time throughout its lifetime. The research works carried out in this thesis aimed at developing a new approachof SHM for the detection of corrosion/erosion in pipes. This manuscript presents a new quantitative imaging method,called passive elastic guided wave tomography, based on the use of an embedded network of piezoelectric sensors(PZT) listening and analyzing only the ambient elastic noise which is naturally generated by the fluid circulation inpipes. This passive method offers many advantages for a SHM system, such as reduction of energy consumption,simplified electronics and ability to perform an inspection while the structure is in operation. In addition, thispassive method makes SHM systems possible to use Fiber Bragg Grating sensors (FBG) which have several advantagesover traditional PZT sensors (low intrusivity, resistance to harsh environments, etc.) but which are not able to emitwaves. A first demonstration of the feasibility of corrosion/erosion imaging by FBG is illustrated experimentallythanks to a result obtained by hybrid tomography in which wave emission is performed by PZT and reception byFBG. All these works offer promising perspectives for the application of passive tomography on industrial structuresusing a pure FBG system. Among the various results presented in this thesis, we also show that corrosion/erosiondefects can be characterized by tomography on a straight pipe without the need for a baseline measurement in apristine state. It is feasible by using a new method of auto-calibration of the data used for tomography. The absenceof baseline measurement makes the method very reliable and avoid false alarms of the system. Finally, preliminarystudies on tomography for more complex structures such as a bended pipe have been realized and validated throughsimulations

Thesis (M. S.)--Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, 2010.
Committee Chair: Laurence J. Jacobs; Committee Member: Jianmin Qu; Committee Member: Jin-Yeon Kim. Part of the SMARTech Electronic Thesis and Dissertation Collection.

New modelling tools intended to contribute to the development of components for quieter vehicles are developed. The tools are based on continuum models for wave propagation in poro– and visco–elastic media. By using geometric attributes of the studied components, the computational cost may be radically decreased compared to traditional methods. By assigning known analytical functions for one or two of the spatial directions, the spatial dimension of the remaining numerical problem is reduced. This reduction of spatial dimensions is performed in two di↵erent ways. The first one treats wave propagation in infinitely extended homogeneous and hollowed cylindrical rods, or wave guides, consisting of visco–elastic media. The wave solutions obtained are then used to model rubber vibration isolators of finite length by mode–matching the fields to the radial boundary conditions of interest. The second one is a method for modelling rotationally symmetric multilayered structures consisting of poro–elastic, elastic and fluid domains. By using a harmonic expansion for the azimuthal spatial dependence, the original three–dimensional problem is split up into several, much smaller, two– dimensional ones, radically decreasing the computational load. Moreover, using a mixed measurement/modelling approach, the audible frequency range characteristics of a viscous damper from a truck is studied, illustrating the influence of the rubber bushings by which it is attached to surrounding structures. The modelling approaches presented in this thesis are intended as tools aiding the design process of new vehicles, enabling new technology striving for more sustainable vehicle concepts. More specifically, the tools aim to improve the modelling of sound and vibration properties which are often penalised when seeking new, more sustainable vehicle designs.

QC 20120522

Centre for Eco2 Vehicle Design

New modelling tools intended to contribute to the development of components for quieter vehicles are developed. The tools are based on continuum models for wave propagation in poro- and visco-elastic media. By using geometric attributes of the studied components, the computational cost may be radically decreased compared to traditional methods. By assigning known analytical functions for one or two of the spatial directions, the spatial dimension of the remaining numerical problem is reduced. This reduction of spatial dimensions is performed in two di↵erent ways. The first one treats wave propagation in infinitely extended homogeneous and hollowed cylindrical rods, or wave guides, consisting of visco-elastic media. The wave solutions obtained are then used to model rubber vibration isolators of finite length by mode-matching the fields to the radial boundary conditions of interest. The second one is a method for modelling rotationally symmetric multilayered structures consisting of poro-elastic, elastic and fluid domains. By using a harmonic expansion for the azimuthal spatial dependence, the original three-dimensional problem is split up into several, much smaller, two- dimensional ones, radically decreasing the computational load.Moreover, using a mixed measurement/modelling approach, the audible frequency range characteristics of a viscous damper from a truck is studied, illustrating the influence of the rubber bushings by which it is attached to surrounding structures.The modelling approaches presented in this thesis are intended as tools aiding the design process of new vehicles, enabling new technology striving for more sustainable vehicle concepts. More specifically, the tools aim to improve the modelling of sound and vibration properties which are often penalised when seeking new, more sustainable vehicle designs.

The rapid expansion of major cities in the west Europeancountries has accentuated the need to exploit every potentialsite for new establishments, e.g. areas over train tunnels andnear railway tracks in general. A significant impediment toexploit such areas is the structure-borne noise generated bythe train traffic, which is transmitted into buildings via theground. Reliable prediction methods and cost-effective noisecontrol measures are therefore needed and are also the objectof the present work. In this thesis, the studied buildings areconsidered as wave-guides for the sound transmitted from theground. The work is restricted to the case of hard ground suchas granite. The chosen technique permits comparison betweendifferent potential measures to reduce the transmission ofstructure-borne sound upward in buildings. It is shown that thedesign of the load-bearing structures is important in thiscontext, and a design with relocated columns has givenpromising results. It is also shown that the stiffness of theground plays an important role in the transmission process.This leads to the idea that a sand layer between the foundationof the building and the bedrock may reduce the transmission.New methods have thus been developed in the course of this workto evaluate the stiffness of the layer using approximate andexact techniques. Results are presented and a comparison ismade with previous results for a "normal" building and it isshown that the insertion of sand layer has a potential toconsiderably reduce the sound level in the building.

Keywords:Ground-borne noise, railway noise, in-planewaves, wave-guides, scattering, propagation constant, inputmobility, elastic stratum, dual integral equations.

Lorsqu'un défaut est introduit dans un cristal phononique, des états apparaissent dans les bandes interdites et se localisent au niveau des défauts. Ils décroissent rapidement loin du défaut. Par conséquent, il est possible de localiser et de guider la propagation des ondes en concevant des défauts dans un cristal phononique parfait. Le guide d’onde à résonateurs couplés, fondé sur le couplage d'une séquence de cavités, présente simultanément un fort confinement des ondes et une faible vitesse de groupe ; il peut être utilisé pour concevoir des circuits plutôt arbitraires. En outre, la propagation des ondes élastiques dans une matrice solide peut être contrôlée en remplissant des cavités d'un fluide, sur la base des systèmes couplés fluides-solides. Ils ont des applications essentielles pour la réduction des vibrations et l’isolation acoustique. Dans cette thèse, les ondes acoustiques et élastiques se propageant dans les guides d’ondes à résonateurs couplés périodiques et apériodiques sont étudiées. L’interaction fluide-solide dans les cristaux phononiques fluide / solide est étudiée. Les travaux sont menés en combinant simulation numérique, analyse par modèles théoriques et investigation expérimentale
When a defect is introduced into a phononic crystal, states localized at the defect appear in the band gaps. They decay rapidly far away from the defect. Therefore, it is possible to localize and guide wave propagation by designing defects in the perfect phononic crystal. Coupled-resonator waveguides based on the coupling effect between a sequence of defect cavities have simultaneously strong wave confinement and low group velocity, and can be used to design rather arbitrary circuits. Furthermore, the propagation of elastic waves in a solid matrix can be controlled through changing fluid fillings based on fluid-solid interaction. Thus, they have essential applications in vibration reduction and noise isolation. In this thesis, the acoustic and elastic waves propagating in both periodic and aperiodic coupled-resonator waveguides are investigated. The fluid-solid interaction in fluid/solid phononic crystals is studied. The work is conducted by combining numerical simulations, theoretical model analysis and experimental investigations

Le contrôle de la propagation des ondes élastiques repose principalement sur la conception de milieu artificiel à base de matériaux structurés pour obtenir une ingénierie avancée de la dispersion de la propagation. Au cours de la thèse, la dispersion du mode (S0) dans des membranes micro-structurées à base d’AlN a été numériquement investiguée et les applications qui en découlent explorées. Il est mis en évidence le lien fort entre la dispersion du mode et la sensibilité aux perturbations externes en combinant la membrane d’AlN avec une couche de SiO2 structurée en rubans. En particulier, il est montré qu’il est possible d’obtenir un TCF=0 pour les résonateurs sans presque aucune dégradation du coefficient K2. Il est montré qu’il est possible d’ouvrir des bandes interdites avec une largeur de l’ordre de 50% en structurant l’AlN sous forme de rubans ou en utilisant des piliers pour former un PhnC. Sur cette base, des designs de cavités et de guides d’ondes sont proposés et leurs performances sont étudiées en fonction des paramètres géométriques. Il est également proposé un nouveau design de cavité basé sur l’introduction d’un défaut résonant dans le PhnC sous forme de disque de dimension très petite par-rapport à la taille de la cellule élémentaire. Le défaut permet d’introduire des modes quasi-plats dans le diagramme de bande et permet en conséquence la conception d’une nouvelle génération de dispositifs phononiques robustes pour des applications en traitement du signal et capteurs. Les structures optimales sont utilisées pour la conception de capteur de champs magnétiques, une sensibilité de 5% est obtenue pour le mode localisé dans le cas d’un disque magnéto-élastique
The control of elastic wave propagation relies mainly on the design of artificial media based on structured materials to achieve advanced propagation dispersion engineering. During the thesis, the dispersion of the mode (S0) in micro-structured membranes based on AlN was numerically investigated and the resulting applications explored. The strong link between mode dispersion and sensitivity to external disturbances is highlighted by combining the AlN membrane with a layer of SiO2 structured into strips. In particular, it is shown that it is possible to obtain a TCF = 0 for the resonators without any degradation of the K2 coefficient. It is shown that it is possible to open wide band-gaps of 50% by structuring the AlN in the shape of strips or using pillars to form a PhnC. On this basis, designs of cavities and waveguides are proposed and their performances are studied according to the geometrical parameters. It is also proposed a new cavity design based on the introduction of a resonant defect with a disc shape in the PhnC and presenting very small size in comparison to the unit cell. The defect makes it possible to introduce quasi-flat modes in the band diagram and consequently allows the design of a new generation of phononic devices for signal processing and sensor applications. The optimal structures are used to design a magnetic field sensor design, a sensitivity of 5% is obtained for the localized mode in the case of defect based on magneto-elastic thin film

This thesis investigates the use of a combined finite element and perfectly matched layer approach in modeling guided elastic wave motion in infinite plates and cylinders and its potential applications to non-destructive evaluation. Underlying principles of the per-fectly-matched, absorbing layer are demonstrated on one-dimensional wave propagation in a semi-infinite elastic rod. Feasibility of using the perfectly matched layer as absorbing boundary condition in the finite-element modeling of guided elastic wave propagation and scattering is studied for the canonical problem of shear horizontal wave motion in isotropic plates. Numerical re-sults in this study are validated against exact analytical solutions. Excellent agreement has motivated the endeavour to take the technique to the next level of pressure, shear-vertical wave motion in isotropic and transversely isotropic plates. Time-domain, finite-element formulation of the perfectly matched layer for pressure, shear-vertical wave motion was validated through comparisons with semi-analytical lit-erature data and reciprocity checks. Numerical implementation of the model was em-ployed in studying the effect of crack presence on the time of arrival in a pitch-catch, non-destructive inspection arrangement. Predictions made confirmed previously-reported experimental findings. Extensions into three-dimensional, Cartesian and cylindrical spaces were validated against reported data. Practical examples of wave scattering in damaged concrete beams, oil and gas pipelines, and composite shells demonstrated the potential use of the proposed model in simulating elastic-wave based non-destructive inspection. Up to 80 % of the computational time needed to run an extended-mesh, finite-element model can be saved by introducing the perfectly-matched, absorbing layer to the finite-element model as the current thesis proposes. This significant saving in computational time by the proposed FE-PML model can accelerate the production of artificial neural network training data or help tackle complicated non-destructive testing applications.

博士
國立成功大學
機械工程學系
102
Lens-less line-focused PVDF transducers and defocusing measurement method are applied to determine the dispersion curves of cylindrically guided waves, including Rayleigh-like cylindrical surface waves propagating along the circumferential direction of solid cylinders and layer-coated cylinders, as well as cylindrical Lamb waves on circular annuli. Conventional V(f,z) waveform processing method has been modified to cope with the non-linear relationship between the phase angle of wave interference and the defocusing distance. A cross correlation method is proposed to accurately extract the cylindrically guided wave velocity from measured data. Experiments have been carried out on: (1) stainless steel and glass cylinders, (2) Ni-coated stainless steel cylinders, and (3) cylindrically curved stainless steel sheets. The experimentally obtained dispersion curves are in very good agreement with their theoretical counterparts. Variation of cylindrically guided wave velocity due to the cylindrical curvature is quantitatively verified using this method. Line-focused PVDF transducers and its V(f,z) defocusing measurement system are also applied to determine the acoustoelastic and acoustoplastic effects of deformed polymethylmeth-acrylate (PMMA) samples, as well as silicon steel samples with permanent deformation. Different levels of strain or permanent deformation are formed in PMMA and silicon steel samples. Large plastic deformation ranging from 5% to 30% is created in the silicon steel samples using uni-axial tensile loading. The velocity changes of surface acoustic waves under different strain or plastic deformation are measured along various directions relative to the loading direction. The acoustoelastic coefficients of PMMA are successfully determined from measurement results. The acoustoplastic effects of PMMA and silicon steel samples are also measured and determined. The investigation on the acoustoelastic and acoustoplastic effects demonstrates an effective way for estimating applied and/or residual stresses in solid materials nondestructively using the line-focused PVDF transducer and its measurement method.

博士
國立交通大學
機械工程學系
99
This dissertation mainly investigates the dispersion, attenuation, and energy dissipation of ultrasonic guided waves propagating in an elastic plate with excessive damping. The excessive attenuation caused by the thermoelastic coupling of plate or the external viscous fluid loading on the top surface of plate is taken into account. The former represents the damping resulted from the time derivative of state variables in a dynamic system, but the later denotes the intrinsic damping term in the elastic constants. Owing to the above two different excessive damping, the investigation is divided into two works. Thermoelastic waves propagating in an isotropic thin plate exerted by a uniaxial tensile stress are represented in the first work. Characteristic equation of thermoelastic guided waves is formulated based on the theory of acoustoelasticity and classical thermoelasticity. Curve tracing method for complex root-finding is used to determine the attenuation, which is the imaginary part of the complex-value wavenumber. It is found that each plate mode of thermoelastic wave propagating in an isotropic plate with or without pre-stress has a minimum attenuation at a specific frequency except the A0 mode. These modes are called by the Lamé modes, which are the volume resonances in the thickness direction and propagate along the plate with the least energy dissipation. Frequency spectra of the phase velocity dispersion and attenuation of thermoelastic waves propagating along various orientations in the uniaxial pre-stressed thin plate have further been discussed. The second work describes an investigation of acoustic guided wave propagation in a glass plate overlain with a poly-vinyl-alcohol (PVA) layer. The PVA layer is modeled as a hypothetical isotropic solid with dynamic viscosity. Dispersion and attenuation curves, mode shape, trajectories of surface particles on the substrate, and pressure in the fluid layer are studied numerically. Except for the A0 mode, a steeply decreasing attenuation and a reverse trajectory of motion are observed near the frequency of Lamé mode for the different modes. With increasing frequency, displacement, stress, and energy of the A0 mode are significantly confined to a region near the top surface of the plate. A similar phenomenon occurs near the bottom surface for the S0 mode. The pressure gradient and its distribution in the fluid layer are directly related to the trajectories of surface particles on the interface of fluid and substrate. The symmetric modes, except for the S0 mode, at frequencies corresponding to the maximum group velocity, are the appropriate choices for generating uniform acoustic pressure in the fluid layer. Moreover, a glass substrate overlain with a glycerin layer is also taken in account, and its frequency spectra of the phase velocity dispersion and attenuation have further been discussed.

碩士
國立交通大學
機械工程系
89
The first order shear deformation theory for analysis of guided wave propagation in anisotropic circular cylindrical shells is developed in this thesis to determine the elastic stiffness constants of a filament wound composite tube. The phase velocity and group velocity dispersion curves of circumferential waves, torsional waves, longitudinal waves and flexural waves are numerically calculated. The approximate theory with the best fit of shear deformation correction factors has a very good agreement with the exact solution for isotropic tubes within the framework of elasticity and save a large number of computation time. The best determination of the shear deformation correction factor in circumferential direction approaches to Mindlin’s estimation, but the axial one converges to a slightly larger value. The material in each filament of a composite tube is assumed to be transversely isotropic with its symmetry at the winding angle to the axis. As the winding angle increases, phase velocities of the torsional waves become greater and those of the longitudinal waves are decreasingly less. But changes in wave speeds of the flexural waves depend on each individual mode. Six effective stiffness constants, corresponding to five independent elastic constants and winding angle of the composite tube, are determined using simplex algorithm to search the best fit of the least squares of errors among those predicated and measured phase velocities of and modes. The results indicate that the stiffness components , , and achieve proper convergence in a broad range of initial guess values, but and converge under limited conditions.