Développement de méthodes acoustiques et vibratoires passives pour la localisation de défauts structurels

Ces travaux de thèse portent sur le développement et la démonstration expérimentale de méthodes de suivi de santé structurelle pour assurer le bon fonctionnement de futurs réacteurs nucléaires de génération 4 : les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium liquide. Le sodium liquide étant opaque à la lumière, il est impossible d’inspecter visuellement les structures immergées dans la cuve du réacteur. Cependant, le sodium liquide est un bon milieu de propagation des ondes acoustiques. Parmi les méthodes d’inspection acoustique, le CEA s'intéresse alors à la détection et à la localisation de dommages à partir de mesures vibratoires et acoustiques passives exploitant le bruit de fonctionnement du réacteur comme source d'information. Compte tenu des dimensions des structures et de la nature des sources d'opportunité, telles que les pompes, la gamme de fréquences supposée se situe dans le domaine audible, comprenant le régime résonant des ondes de flexion des structures, mais aussi le régime géométrique du champ acoustique. L'objectif général de la thèse est de développer des méthodes de localisation de défauts, à savoir des variations de géométrie ou des variations locales des propriétés mécaniques de la structure. Les travaux réalisés ont concerné la validation expérimentale des méthodes dans l’air sur des démonstrateurs construits en laboratoire, notamment une plaque en aluminium. Trois types d’approches ont été étudiées lors de ces travaux de thèse.La première méthode étudiée repose sur l’extraction et l’analyse des modes de vibrations de la structure inspectée. En étudiant les vibrations forcées d’une plaque mince en aluminium, les travaux ont montré la possibilité de localiser une variation de paramètres de type masse ajoutée de l'ordre de 0,67% à 2% de la masse totale de la plaque, en appliquant la méthode « Modal Strain Energy » sur des signaux acoustiques mesurés dans le champ acoustique à 2 cm, soit 3% de la longueur d'onde maximale considérée à partir desquelles il a été possible d'estimer la vibration de la plaque pour appliquer la MSE. Cette méthode est habituellement appliquée sur des mesures au contact des modes de vibrations structurelles.La deuxième classe d’approches testée repose sur l’analyse de la forme d’onde complète du signal par « Matched-Field Processing » (MFP) effectuée sur la mesure au contact des ondes de flexion sur la structure. La méthode consiste, (1) à extraire la signature du défaut, (2) à construire les vecteurs de pointage à partir des paramètres modaux de la plaque non endommagée, puis (3) à examiner la corrélation entre le vecteur de pointage et la signature du défaut. La méthode est testée sur la même configuration de plaque mince et de variation de paramètre (masse ajoutée) que celle utilisée pour tester la méthode MSE. Les travaux ont montré la possibilité de localiser la masse ajoutée en appliquant le processus sur les fonctions de réponse en fréquence de la plaque. Le vecteur de pointage utilisé pour la formation de voies est ici défini par une analyse modale expérimentale sur les mesures effectuées sur la plaque saine. Les résultats ont montré que les processeurs white noise gain constraint et multiple signal classification permettent de localiser avec les meilleures performances, avec des rapports pics sur bruit de l'ordre de 5 dB à 10 dB et une résolution de l'ordre de 5 cm à 10 cm. La méthode n'a pour l'instant pas été testée à distance.La troisième approche considère une configuration de diffraction des ondes acoustiques sur des structures rigides dans la gamme audible des fréquences. Des travaux sur la reconstruction de fonctions de Green ont été effectués à partir d’un champ diffus insonifiant des structures cylindriques dans une salle réverbérante. L’application de la méthode de focalisation en tous points sur ces mesures a permis d’imager les parois extérieures de ces structures, permettant le contrôle de la géométrie globale des structures