Soutenance mémoire
Surveillance des structures, contrôle non-destructif
Le domaine du contrôle non-destructif et de la surveillance des structures renseigne sur l’état et des dommages éventuels en temps réel. Il fournit une estimation de la durée de vie efficace de la structure ou une évaluation des défauts éventuels [23, 30, 31, 32, 33, 34]. Les bénéfices de telles méthodes résident dans la réduction des coûts et de la charge de travail de maintenance, en passant d’une maintenance planifiée à une maintenance déclenchée par la condition du matériel, une amélioration de la fiabilité et une plus grande sécurité pour les utilisateurs. L’usage des ultrasons repose en général sur un réseau de capteurs pour l’acquisition des données et des méthodes de traitement des signaux pour évaluer l’état de la structure. De telles structures ou matériaux équipés sont souvent appelés matériaux ou structures intelligentes (Smart Materials, Smart Structure), et peuvent exploiter des méthodes actives ou passives. Les méthodes passives surveillent les émissions acoustiques liées à l’apparition de fissures ou de délaminations de la structure pendant son fonctionnement. Elles peuvent utiliser des réseaux de fibres optiques ou de jauges de contraintes. Cependant, ces deux dernières méthodes ont le désavantage de requérir une forte densité de capteurs distribués sur la structure [32]. Les méthodes actives excitent la structure et analysent sa réponse pour rechercher des dommages en quelques secondes et de façon continue ou durant des phases de maintenance. En contrôle non-destructif, on cherche à déterminer différentes informations telles l’épaisseur d’une paroi, la présence de défauts (qualité d’une soudure, délaminations ou cassures dans une structure multicouches par exemple) ou les propriétés mécaniques (module d’élasticité d’un ciment en construction [30]) à partir de l’étude de la propagation des ondes élastiques dans ce matériau [35]. Les méthodes dites par émissions acoustiques (Acoustic Emission) emploient des sources impulsionnelles (balles et marteaux d’impacts, impulsion laser, etc. . . ) et un récepteur (accéléromètre, capteur piézoélectrique, interféromètre laser, etc. . . ). La méthode par impact-écho [30] évalue le temps d’aller-retour de l’onde longitudinale entre les deux faces d’un matériau comme par exemple un bloc de béton, par l’analyse de la période en domaine fréquentiel. Les premières approches reposent sur la mesure de la différence de temps de transit dans l’élément à surveiller [36, 37]. Récemment, elles essaient de prendre en compte la nature dispersive des matériaux ou exploitent de nouvelles méthodes de traitement du signal telle la décomposition en ondelettes [38, 39, 40]. L’utilisation de la différence de vitesse des modes de Lamb peut également permettre d’améliorer la mesure des temps de transit [41] ou permettre une évaluation de la distance par la différence de temps de propagation des fronts d’ondes des modes de Lamb symétrique et antisymétrique, avec un minimum de capteurs et en connaissant la dispersion dans le milieu [42, 43]. Des méthodes de reconnaissances de formes permettent la détection de défauts en s’appuyant sur l’utilisation de bases de données d’états sains [44, 45]. Tous ces domaines de recherche constituent donc des sources d’inspiration pour la détection de touchers dans les interfaces homme-machine.
Technologies de balayages
On entend par technologies de balayages, l’ensemble des méthodes permettant de détecter et d’analyser les interactions de types caresses/griffures. Ces interactions consistent en des mouvements de balayage de la surface avec le doigt, la paume de la main ou l’ongle. Une caresse ou une griffure engendre une émission d’ondes acoustiques dans le matériau durant toute la durée de l’interaction, mais avec des propriétés spectrales liées aux variables de vitesse et de force. Dans le cas d’un capteur disposé non pas sur la coque mais sur le doigt d’un robot, Howe [77] a utilisé les composantes hautes-fréquences induites par le glissement entre les deux matériaux. Cette approche correspondait à l’implémentation d’un mécanorécepteur pour déterminer la rugosité d’une surface parcourue et ainsi accéder à une mesure fine des textures des surfaces explorées. Avec une vitesse de déplacement de 1,4 cm/s, il est possible de détecter des aspérités pouvant atteindre 6,5 µm de hauteur pour 50 µm de largeur. Cette approche nécessite cependant de corréler les informations du point de contact avec la vitesse et l’effort appliqués. Dans les coques tactiles, l’énergie vibratoire générée par l’interaction est mesurée au niveau de la coque elle-même : nous ne disposons d’aucune information sur le déplacement ou l’effort effectué. Néanmoins, une connaissance a priori de la rugosité de la coque et des efforts typiques rencontrés lors d’un balayage devrait permettre de caractériser l’interaction à partir de l’étude de son spectre. Par exemple, si l’on s’intéresse à la vibration dynamique produite par le frottement de la peau sur des matériaux texturés, on observe une vibration complexe que l’on peut corréler à la texture du matériau, la vitesse de déplacement et la force d’appui sur la surface. Dans l’article de Wiertlewski [78], on impose à dix sujets de déplacer leur doigt sur une surface avec une vitesse moyenne de déplacement de 64 mm/s et une force normale d’appui de 0,74 N. Différentes textures sont utilisées lors des expériences avec des pics de fréquences spatiales allant de 1 à 20 mm−1, soit des vibrations engendrées dans la coque de l’ordre de 64 Hz à 1300 Hz pour cette vitesse moyenne de déplacement du doigt. Dans le cas de caresses ou grattages, il est donc envisageable que des vibrations de fréquences comparables puissent être engendrées dans une coque en raison de sa rugosité. Pour le vérifier, nous avons utilisé une plaque en polyamide PA12 obtenue par frittage de poudre. La plaque, d’épaisseur 3 mm, sert simultanément dans le procédé de localisation et comme élément de test pour visualiser l’effet d’une caresse ou d’une griffure sur sa surface rugueuse constituée de grains d’une taille moyenne de 57 µm. Comme illustré sur la figure I.6, la plaque est équipée de 3 transducteurs piézoélectriques. L’un des transducteurs envoie des salves d’ondes mécaniques de durée 1 ms, espacées de 10 ms et composées de la superposition de 30 sinusoïdes de fréquences régulièrement espacées entre 20 kHz et 80 kHz[79].
Illumination de la coque
Le procédé FDPA repose sur la détection et la classification de figures de diffraction créées par un toucher sur une surface dans laquelle on émet des ondes élastiques. Ce phénomène est lié au caractère transitoire des ondes, qualifié d’illumination. La façon dont les ondes élastiques sont engendrées dans la coque va jouer un rôle important sur la sensibilité aux touchers et la répartition de l’énergie dans la cavité acoustique. Afin de disposer de signatures différenciées de la position des touchers, l’ensemble de la coque tactile doit être parcourue par les ondes élastiques selon une répartition complexe. Concernant la qualité de l’illumination de la coque, Liu [24] aborde les questions de la relation des longueurs d’ondes aux dimensions du doigt créant le toucher, de la position des transducteurs, de la géométrie des coques et des modes propres. Les ondes engendrées dans la coque sont principalement des ondes de Lamb. Afin de simplifier le traitement, on se limite volontairement aux deux premiers modes de Lamb symétrique et antisymétrique. Le mouvement des particules à la surface de la plaque, laisse supposer une plus forte sensibilité du mode de Lamb A0 à des touchers. De plus, les demilongueurs d’ondes de ce mode doivent être au moins inférieures aux dimensions des touchers que l’on souhaite détecter. Ainsi la plage des fréquences de travail doit être au-delà des fréquences audibles afin de ne pas créer de bruits parasites, limiter les ondes aux deux premiers modes de Lamb et enfin autoriser une longueur d’onde adaptée à des touchers. La géométrie des coques et le placement des transducteurs jouent un rôle très important pour la répartition de l’énergie et la différenciation des signatures. Il est connu que la disposition de transducteurs sur des axes de symétrie entraîne des ambiguïtés sur la localisation [84]. En effet, la répartition des ondes est identique dans les zones qui présentent des symétries autant par la géométrie que par la répartition des émetteurs et récepteurs. Ainsi, les transducteurs sont placés hors axes de symétrie de la coque [85]. La géométrie joue également un rôle sur la répartition de l’énergie. Si la forme crée des zones d’ombres par des trous, des coudes ou des évasements prononcés, une part des ondes est réfléchie et accède moins facilement à ces endroits. Une alternative à des géométries peu propices à une répartition uniforme de l’énergie vibratoire consiste à placer des émetteurs ou des récepteurs dans les endroits moins accessibles. Les modes propres favorisent certaines ondes, qui présentent des vitesses de propagation et des longueurs d’ondes se combinant de manière plus efficace pour une géométrie et une position particulière des transducteurs émetteurs et récepteurs dans la coque. En conséquence, les réponses en réflectivité contiennent une part plus importante de réponse aux ondes concernées par les modes propres, ce qui produit des pics de résonances dans le spectre. Dans ses travaux de thèse, Liu [24] consacre un chapitre à cette question. Il montre l’influence des conditions de montage, des touchers et de la température sur les pics de résonances, ce qui constitue une réponse de la cavité acoustique à l’un de ces paramètres. Bien que certains travaux visent à exploiter l’absorption des modes propres pour localiser des touchers [86], Liu exploite le phénomène de diffraction des touchers. Il est jugé plus pertinent d’émettre des ondes en dehors de leurs résonances dans la cavité, afin de ne pas réduire les réponses en réflectivité aux seules composantes des modes propres.
Modèles des déformations du doigt
Il s’agit ici de prendre en compte le comportement des déformations sous l’action d’une force d’appui. Dans la littérature, deux principaux modèles régissant le comportement viscoléastique du doigt ont été proposés. Dans le premier, l’ensemble du doigt est assimilé à un matériau possédant des propriétés viscoélastiques particulières. Le deuxième correspond à une membrane, similaire à la peau, contenant un fluide tel que ceux contenus dans les tissus sous-cutanés. On se place dans le cas d’un régime statique du contact et ces modèles considèrent la peau et les tissus sous-cutanés indépendamment du temps.
Mesures d’impédances acoustiques
La notion d’impédance acoustique équivalente du doigt pour des ondes ultrasonores est intéressante car elle permet d’évaluer la part d’onde absorbée et diffractée dans la coque. Ainsi, si l’on veut être en mesure de recréer une perturbation des ondes similaire à celle provoquée par un toucher sur une cavité acoustique, il est intéressant de pouvoir identifier et sélectionner des matériaux présentant les mêmes caractéristiques que celles d’un doigt humain. En raison de la nature des ondes de Lamb dans les coques, il est utile d’évaluer ce paramètre pour les modes d’ondes de volume longitudinal et transversal. Dans la littérature on trouve de nombreuses études sur l’impédance acoustique du doigt qui concernent les fréquences inférieures à 200 Hz, impliquées dans les mouvements mécaniques de l’ensemble doigt-main-bras. La réponse en basses fréquences est utiles pour le dimensionnement de systèmes destinés à être tenus en main [125] ou pour des études de dispositifs vibrotactiles [126] impliquant les mécanorécepteurs de la peau, tels les corpuscules de Paccini sensibles jusqu’à 1 kHz. Dans le cas du dispositif tactile à figures de diffraction perturbées en amplitude, l’interaction avec le doigt concerne des ondes ultrasonores comprises entre 20 kHz et 100 kHz. Dans cette gamme de fréquences, on suppose que la stimulation concerne principalement la peau ainsi qu’une partie du volume arrière de la phalange distale. Un dispositif permettant d’évaluer ces paramètres a donc été conçu.
Conception d’un doigt artificiel
Un doigt artificiel permet de reproduire la perturbation engendrée par un toucher humain réel sur une surface tactile, autorisant par exemple l’automatisation d’apprentissage de signatures acoustiques sur de grandes surfaces ou d’évaluer différents procédés tactiles acoustiques. Afin d’améliorer le réalisme du doigt artificiel, des éléments tels que la structure osseuse, l’ongle ou même la circulation sanguine dans les tissus responsable d’effets nonlinéaires [127] peuvent être pris en compte. Plusieurs publications traitent d’autres aspects du toucher tels que les frottements normaux et tangentiels, les déformations d’ensemble de la structure, l’évolution de la zone de contact, les aspects dynamiques comme le temps de relaxation, les dissipations de chaleur liées aux déformations ou autres aspects thermiques sur l’ensemble du doigt. Dans notre cas de touchers statiques sur des interfaces tactiles, on ne tient pas compte des frottements et du temps de relaxation. Le doigt artificiel est donc conçu en regard de la déformation et de la perturbation acoustique. Deux approches ont été développées selon les modèles définis à la sous-section II.1.2. Dans la première, un matériau plein simule la chair et la peau du doigt, alors que dans la seconde, une membrane représentant la peau contient un fluide absorbant à une pression connue qui se déforme comme un doigt humain lors d’un toucher. Le fluide, dit simulant, reproduit le comportement visqueux et l’atténuation des ondes acoustiques comme dans la chair humaine. Dans la publication de Culjat et al. [128], il est mentionné des propriétés proches de celles de l’eau pour les tissus sous-cutanés avec une vitesse de 1561 m.s−1 et une densité de 1043 kg/m3, mais avec une atténuation plus élevée. Elle est de l’ordre de 0,54dB· cm−1· MHz−1 dans les tissus sous-cutanés et de 0,0022dB·cm−1·MHz−1 dans l’eau. Nous verrons d’abord plusieurs dispositifs existants avant de proposer une structure porteuse supportant le doigt artificiel et reproduisant sa posture lors d’un appui. Enfin, ces doigts artificiels sont comparés à des perturbations réelles sur des coques tactiles.
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Table des matières
Introduction
I Principe de localisation de touchers
I.1 Techniques de localisation dans les plaques
I.1.1 Surveillance des structures, contrôle non-destructif
I.1.2 Technologies impactiles
I.1.3 Technologies tactiles
I.1.4 Technologies de balayages
I.1.5 Fusion des procédés
I.2 Méthode de la figure de diffraction perturbée en amplitude (FDPA)
I.2.1 Présentation
I.2.2 Illumination de la coque
I.2.3 Touchers et perturbations
I.2.4 Détermination de la localisation
I.2.5 Résolution
I.3 Génération d’ondes guidées
I.3.1 Ondes de Lamb
I.3.2 Expression du déplacement mécanique
I.3.3 Transducteurs fonctionnant en dipôles
I.4 Conclusion
II Contact avec la coque
II.1 Toucher humain
II.1.1 Présentation générale du doigt humain
II.1.2 Modèles des déformations du doigt
II.1.3 Zone de contact
II.1.4 Mesures anthropométriques
II.1.5 Superficie et déformation du contact
II.2 Mesures expérimentales de touchers
II.2.1 Dimensions
II.2.2 Dispositif d’évaluation de relation force-superficie du contact pour différents angles de la phalange
II.2.3 Superficies mesurées
II.2.4 Posture naturelle du doigt
II.3 Mesures d’impédances acoustiques
II.3.1 Dispositif de mesure de l’impédance acoustique
II.3.2 Mesure des impédances acoustiques
II.4 Figures de diffraction générées par une colonne d’eau
II.5 Conception d’un doigt artificiel
II.5.1 Dispositifs artificiels existants
II.5.2 Structure porteuse : force et angle d’appui
II.5.3 Doigt artificiel : Modèle plein
II.5.4 Doigt artificiel : Modèle membrane/fluide
II.5.5 Évaluation des doigts artificiels
II.6 Conclusion
III Influence des conditions environnementales sur les coques
III.1 Caractérisation des matériaux employés dans les coques plastiques
III.1.1 Dilatation des matériaux
III.1.2 Diffraction des transducteurs
III.1.3 Dispositif expérimental pour la caractérisation des matériaux
III.1.4 Méthodologie de caractérisation des matériaux
III.1.5 Compensation de la diffraction sur les vitesses et les atténuations
III.1.6 Mesure de la vitesse de propagation
III.1.7 Mesure de l’atténuation
III.1.8 Vitesse dans les matériaux sans atténuation
III.1.9 Évaluation des propriétés physiques
III.1.10 Évaluation du tenseur de viscoélasticité
III.1.11 Mesures par la méthode de l’onde de pression
III.1.12 Discussion sur la caractérisation des matériaux
III.2 Mesure des ondes de Lamb dans les thermoplastiques
III.2.1 Ondes de Lamb accordées
III.2.2 Influence de la température sur les ondes de Lamb
III.2.3 Dispositif de mesure des ondes de Lamb
III.2.4 Mesure des ondes de Lamb dans l’ABS et le PA12
III.2.5 Discussion
III.3 Variation des figures de diffraction dans les coques en fonction de la température
III.3.1 Dispositif
III.3.2 Spectre de réponse de la coque soumise à des variations de température
III.3.3 Discussion
III.4 Conclusion
IV Perspectives d’évolutions et d’implémentation du procédé
IV.1 Utilisation de matériaux viscoélastiques
IV.1.1 Modification des figures de diffractions par absorption
IV.1.2 Sélection du mode de Lamb
IV.2 Signatures temps-fréquence
IV.2.1 Simplification des calculs par une émission temps-fréquence
IV.2.2 Signature temps-fréquence
IV.3 Implémentation
IV.4 Discussion
Conclusion
Bibliographie
Annexes
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