Je remercie sincèrement les professeurs Génevaux, Thibaut, Le Clézio et Marchal et les directeurs de recherche Deschamps, Leban, Grilo et Lasaygues, qui m'ont fait l'honneur de participer à ce jury.
Carrière professionnelle
- Déroulement de carrière
- Curriculum Vitae
- Contexte professionnel
- Un précieux héritage
- Un présent en perpétuel évolution
- Origine et objectif de l’activité de recherche
- Etendue des ressources forestières
- Principales fonctions des ressources forestières
- Objectif de recherche
- Questions de recherche
Ingénieur de recherche de l'Unité Production et Valorisation des Bois Tropicaux Responsable de l'équipe "Méthodes d'évaluation du matériel végétal (Xylométrie)" depuis 2007. Puis réunie en 1970 pour former le Groupe d'Etude et de Recherche pour le Développement de l'Agronomie Tropicale (Gerdat).
Etude bibliographique
Principes du contrôle non destructif
Concernant la détection des défauts (hétérogénéité localisée), trois techniques sont privilégiées pour les défauts internes (fissures, porosités, inclusions) : la radiographie, les ultrasons et l'émission acoustique. Concernant l'évaluation des caractéristiques intrinsèques, les principales techniques utilisées sont : les méthodes optiques pour l'aspect et les propriétés de surface, les ultrasons et les rayons X pour les propriétés des matériaux.
Vibrations mécaniques
- Principes physiques
- Ondes élastiques dans les milieux infinis
- Ondes élastiques dans les milieux bornés (ondes modales)
- Transformations des ondes lors de la propagation (dispersion, atténuation et réflexion)
Dans un milieu dispersif, la vitesse de phase dépend de la fréquence de l'onde (relation de dispersion). Dans le cas d'un milieu dispersif, donner une valeur de la vitesse de propagation n'a de sens que si l'on donne aussi la fréquence de l'onde d'accompagnement.
Capteurs acoustiques et ultrasonores
- Accéléromètre
- Microphone
- Vibromètre laser
- Marteau force
- Pot vibrant
- Transducteur ultrasonore
Le marteau est équipé d'un capteur de force et mesure l'évolution de la force appliquée en fonction du temps (sensibilité en mV/N). L'utilisation d'un milieu de couplage (liquide, graisse, caoutchouc...) permet la transmission d'ondes entre le transducteur et le matériau.
Contrôle acoustique
Dans le cas pratique, il est généralement estimé à l'aide de méthodes déterminées pour des processus aléatoires (alors que le système étudié est déterministe) dus au bruit de mesure. Me Ss,e : densité spectrale de puissance de l'interaction entre sortie et entrée, Se,e : densité spectrale de puissance d'entrée. La fonction de réponse en fréquence ainsi estimée permet de déterminer les fréquences de résonance et les amortissements associés.
L'identification des déformations modales se fait par plusieurs mesures de la déformation de la structure en différents endroits (Figure 25). La visualisation d'une déformation par rapport aux déformations issues de la modélisation analytique ou par éléments finis permet une identification de l'ordre des fréquences propres dans le cas du système "complexe". Les paramètres issus de l'analyse du signal associé au modèle de vibration permettent de caractériser les paramètres internes du système (élasticité élastique et frottement interne).
Les calculs par éléments finis peuvent également permettre de calculer les vibrations maximales admissibles sur la structure pour éviter les risques de destruction dus à la fatigue vibratoire.
Contrôle ultrasonore
Ils permettent également de dimensionner précisément l'ajout de masse ou de raideur à la structure pour réduire l'inconfort causé à l'utilisateur (ex. amortisseur dynamique de vibration ou élastomère anti-vibration dans la voiture). L'enregistrement d'une série d'échogrammes permet de réaliser des cartes de répartition des défauts soit dans un plan de coupe de la pièce (B-Scan), soit dans un plan perpendiculaire (C-Scan) (Figure 27). Les impulsions ultrasonores reçues par ce transducteur permettent de caractériser la transmission des ultrasons à travers la pièce (par exemple temps de propagation et atténuation).
Le contact sec direct du transducteur par le côté n'est pas suffisant pour une bonne transmission des ultrasons : il faut utiliser un agent de couplage tel que de l'eau, de l'huile ou d'autres produits plus visqueux (par exemple les graisses utilisées dans les véhicules mécaniques). L'utilisation de réservoirs dans lesquels les pièces sont immergées résout de nombreux problèmes. Le collage est assuré par de l'eau additionnée d'agents mouillants pour réduire l'adhérence des bulles d'air.
Le transducteur est fixé à des bras manipulateurs, ce qui permet une rotation selon plusieurs axes et des déplacements en trois dimensions.
Imagerie par tomographie en transmission
- Principe
- Problème direct
- Problème inverse
A partir d'un ensemble de projections F(u, ), le but est de trouver la valeur de f en tout point de l'espace, c'est-à-dire de calculer f(x,y). Une solution pourrait être d'attribuer la valeur F(u, ) à tout point placé sur le rayon de projection qui a donné cette valeur. Cette méthode de reconstruction a une importance historique car c'est la première méthode utilisée (Bloch, 2010).
Cette fonction est d'autant mieux reconstituée que le nombre d'angles de projection est grand (figure 31). Dans ce cas, c'est directement l'équation de projection qui est discrétisée, créant un système d'équations linéaires. Toutes les techniques de gestion de la multi-colinéarité peuvent donc être utilisées (régression en composante principale, régression "Ridge", gradient biconjugué, régression PLS.
Au petit nombre de projections, il faut aussi ajouter les incertitudes de positionnement spatial et temporel (quelle est la période de l'année ?).
Application au matériau bois
- Structure macroscopique
- Structure microscopique
- Composition chimique
- Comportement mécanique
- Effet de la densité, de l’humidité et de la température sur le comportement mécanique
- Paramètres mesurables en acoustique et ultrason
- Effet des propriétés physiques
- Effet des altérations biologiques
- Evaluation non-destructive des arbres sur pied
Effet de la densité, de l'humidité et de la température sur le comportement mécanique. La figure 40 présente l'évolution de la température de transition vitreuse de composants isolés ou connectés. L'amortissement temporel est déterminé par le coefficient de déclin exponentiel de l'enveloppe du signal (12).
En général, les changements observés de vitesse (module dynamique) et d'atténuation (frottement interne) sont opposés. La vitesse diminue avec le niveau d'humidité jusqu'au point de saturation des fibres (effet combiné de la diminution de la rigidité et de l'augmentation de la densité). Jiang (2008) a étudié le comportement viscoélastique du bois (contraintes cycliques de 0,5 Hz à 10 Hz) en fonction de la température sur des échantillons anhydres.
Machek (2004) a effectué une surveillance supplémentaire de la perte de masse et du module d'élasticité déterminés dans les vibrations de flexion.
Synthèse des principaux résultats de recherche
Chronologie des actions de recherche
- Caractérisation unidimensionnelle
- Imagerie bidimensionnelle
Ce programme de recherche a abouti à la réalisation d'un prototype de machine de tri (2001 au CTBA). Parallèlement, une remise à niveau de la machine de classification industrielle (BING Industriel 2004) a été réalisée grâce à des travaux de stage (Jérôme JUSTET, IUP génie mathématique et informatique). Ce projet a comme partenaires principaux le Laboratoire de Mécanique et Acoustique (CNRS, Marseille) et l'Université Universidade Federal de Lavras (UFLA), au Brésil.
Plusieurs disciplines scientifiques se sont rapprochées pour mener à bien ses travaux et Paulo a publié 9 articles dans des revues à comité de lecture. L'objectif de ce projet était de détecter et de caractériser les défauts dans les forêts de cèdres au moyen de la tomographie acoustique. Plusieurs étudiants ont également travaillé sur ce projet : Pierre Jozwicki (ingénieur), Ashkan Ghodrati (Master II), Andrès Arciniegas (Master II) et Mohammadali Saadatnia (Mémoire).
Les résultats obtenus ont été publiés dans 2 articles de revues à comité de lecture (Annals of Forest Science, 2008; BioResources, 2011) et ont été présentés à 4 congrès internationaux avec des communications (International Congresses on Ultrasonics, 2007; 10th Anglo-French Physical Acference. , 2011 ; 31e Symposium international sur l'imagerie acoustique, 2011 ; 17e Symposium international sur les essais non destructifs et l'évaluation du bois, 2011).
Caractérisation unidimensionnelle
- Domaine acoustique
- Caractérisation mécanique
- Etude et perception des sons musicaux
- Domaine ultrasonore
- Criques de compression dans les assemblages collés
- Détermination des axes principaux d’anisotropie
La non-linéarité est également visible dans le graphe de régression de la Figure 71-b. L'amplitude de la fréquence fondamentale (#11) est la plus corrélée avec LV2, les autres variables (#1, 9 et 10) sont corrélées avec cette variable latente en raison de leur étroite corrélation avec la variable #11 (Figure 74). Une large gamme de descripteurs (temporels, spectraux, spectro-temporels) peut être définie dans le cadre de la norme normalisée MPEG-7 (Kim, 2006).
Le balayage de l'échantillon suit un trajet linéaire de 120 mm de part et d'autre de la zone de fissure (Figure 83). L'équation du problème direct s'obtient en faisant tourner la matrice de rigidité autour de l'axe Z (d'un angle ) puis autour de l'axe X (d'un angle. La solution de l'équation matricielle (24) est unique pour un ultrason suffisamment calé essais autour de la sphère (plus de 6 essais).
Pour chacun des 6 termes de la solution, la valeur absolue de l'erreur par rapport à la valeur exacte (%) est calculée.
Imagerie bidimensionnelle
- Contrôle acoustique
- Délaminations des assemblages collés
- Délaminations d’un composite de renforcement d’étanchéité
- Tomographie acoustique
- Tomographie ultrasonore
- Imagerie non paramétrique en réflexion
- Imagerie paramétrique et radiographie X
- Effet de l’écorce et de la présence de cavité en imagerie paramétrique
La figure 99 montre un échantillon de type B avec délaminage longitudinal. Le résultat des tests expérimentaux avant et après la découpe de l'anneau est présenté sur la figure 115. Cette couche particulière est peu attachée à la couche la plus interne de la paroi cellulaire.
De plus, l'augmentation de la densité due à la présence de la couche G n'est pas une caractéristique essentielle du bois d'épagneul. L'augmentation de la raideur dans ce plan explique la faible lenteur des ultrasons de compression du bois. La zone claire près de la moelle est associée à une faible teneur en humidité.
Ce phénomène s'explique par la présence de bois juvénile associée à une nette variation du taux d'humidité.
Conclusions et perspectives
Cependant, peu de travaux font le lien entre ces descripteurs et les propriétés intrinsèques de la matière. Lorsque le point d'excitation est déplacé d'une région attachée à une région non collée, il y a un décalage continu de la fréquence de résonance. L'utilisation d'un impact de précision avec un marteau instrumenté a montré que la présence de délaminage affecte la forme de la courbe d'évolution force-temps lors de l'impact.
Les images tomographiques de la rondelle avec un défaut artificiel ont révélé la présence d'une zone de très forte inertie au niveau du défaut. La nécessité d'améliorer la qualité des images acquises (réduire la résolution spatiale) a conduit dans un second temps à l'étude de la tomographie ultrasonore. La forme du rayonnement ultrasonore - rayons X est due aux différences entre le bois de compression et le bois normal.
L'effet de l'écorce et la présence d'une cavité artificielle en imagerie paramétrique ont donc été étudiés.
Machek L., Edlund M.L., Sierra-Alvarez R., Militz H. A non-destructive approach for the assessment of decay in preservative-treated wood Application of nonlinear acoustic tomography for non-destructive testing of trees". wood testing, Hannover, Germany, pp A simple anisotropy correction procedure for wood acoustic tomography". Nicolotti G., Socco L.V., Martinis R., Godio A., Sambuelli L Application and comparison of three tomographic techniques for the detection of decay in trees".
9th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood, pp Detection of decay in trees with stress waves and interpretation of acoustic picus images". Symposium on Plant Health in Urban Horticulture, Braunschweig, Germany Effect of moisture content on ultrasonic velocity and attenuation in forests ultrasound examination of wood rot in ascending trees: possibilities and limitations". Socco LV, Sambuelli L., Martinis R., Comino E., Nicolotti G Feasibility of ultrasonic tomography for non-destructive decay testing on living trees".
Presses polytechniques et universitaires romandes (Ed.), 241 p Relationship between specific gravity and decrease of dynamic Young's modulus with water".
