Exploitation of the Reverberant Propagation of Elastic Waves in Structures: Towards a Concept of Low-resource SHM Sensor Network

AbstractActual implementation of an efficient SHM system is necessarily hampered by the constraints of power-consumption and intrusive- ness (weight, size, in-service integration) of sensors. In the field of ultrasound-based SHM, conventional methods rely on relatively powerful acoustic sources synchronized with the sensors, and exploit only the first propagated (ballistic) wavepackets. The aim of this paper is to present possible techniques to exploit the whole complexity of reverberation signals, in order to extract the maxi- mum information from limited hardware, software, or power resources. A first aspect is the extraction of statistical properties of the codas of multiply-reflected signals, which can be used to estimate structural properties from a small number of sensors. In this technique, the required signal processing is relatively light and synchronization between the acquisition channels is not necessary. A second aspect is concerned with the possibility of using ambient acoustic sources, naturally present for example in transportation applications, instead of artificial power-consuming ultrasound sources

Visualization of subsurface damage in woven carbon fiber-reinforced composites using polarization-sensitive terahertz imaging

Polarization-sensitive terahertz imaging is applied to characterize subsurface damage in woven carbon fiber-reinforced composite laminates in this study. Terahertz subsurface spectral imaging based on terahertz deconvolution is tailored and applied to detect, in a nondestructive fashion, the subsurface damage within the first ply of the laminate caused by a four-point bending test. Subsurface damage types, including matrix cracking, fiber distortion/fracture, as well as intra-ply delamination, are successfully characterized. Our results show that, although the conductivity of carbon fibers rapidly attenuates terahertz propagation with depth, the imaging capability of terahertz radiation on woven carbon fiber-reinforced composites can nonetheless be significantly enhanced by taking advantage of the terahertz polarization and terahertz deconvolution. The method demonstrated in this study is capable of extracting and visualizing a number of fine details of the subsurface damage in woven carbon fiber-reinforced composites, and the results achieved are confirmed by comparative studies with X-ray tomography.The authors gratefully acknowledge the financial support of the Conseil Régional du Grand Est of the Fonds Européen de Développement Régional (FEDER), and of the Institut Carnot ARTS

Application of Ultrasonic Coda Wave Interferometry for Micro-cracks Monitoring in Woven Fabric Composites

The consequences of a four-point bending test, up to 12 mm, are examined by emitting 1 MHz ultrasonic guided waves in woven carbon fiber reinforced polymer specimens, using coda wave interferometry (CWI), revealing a potential use for nondestructive evaluation. It is known that CWI is more sensitive to realistic damage than the conventional method based on the first arriving time of flight in geophysical, or in civil engineering applications such as concrete structures. However, in composite materials CWI is not well established because of the involved structural complexity. In this paper, CWI is investigated for monitoring the occurrence of realistic defects such as micro-cracks in a woven carbon fiber composite plate. The micro-cracks are generated by a four-point bending test. The damage state is stepwise enhanced by gradually increasing the load level, until failure initiation. The damage is monitored, after each loading, using ultrasound. It is demonstrated that CWI is a powerful tool to detect damage, even low levels, in the sample. Two damage indicators based on CWI, i.e. signals correlation coefficient and relative velocity change, are investigated and appear to be complimentary. Under significant loading levels, the normalized cross-correlation coefficient between the waveforms recorded in the damaged and in the healthy sample (reference at 0 mm), decreases sharply; this first indicator is therefore useful for severe damage detection. It is also demonstrated, by means of a second indicator, that the relative velocity change between a baseline signal taken at zero loading, and the signals taken at various loadings, is linear as a function of the loading, until a critical level is reached; therefore this second indicator, is useful for low damage level detection. The obtained evolution of the relative velocity measurement is supported by relative comparison to the evolution of the bending modulus in function of displacement. The relative velocity change exhibits the same evolution as the bending modulus with loading. It could be used to indicate when the material stiffness has decreased significantly. The research is done in the framework of composite manufacturing quality control and appears to be a promising inspection technique.This work is supported by the Région Grand Est

Passive defect localization in reverberant plates using correlation of acoustic field

La reconstruction passive des fonctions de Green par corrélation de bruit ambiant suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI). Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode originale reposant sur l’application de cette approche pour détecter et localiser des défauts (fissures, trous, rainures) dans des plaques minces réverbérantes avec un faible nombre de capteurs. Les ondes de flexion qui se propagent sur la plaque sont engendrées soit par un ensemble de sources aléatoirement réparties sur la surface ou un bruit ambiant. Un réseau de capteurs sensibles au déplacement normal permet d’estimer la matrice de corrélations inter-éléments avant et après l’apparition d’un défaut. Un critère d’évaluation de la qualité des corrélations est proposé sous forme d’un niveau de bruit relatif entre les résidus de reconstruction et les fonctions de Green. La matrice différentielle de corrélations avant et après défaut est utilisée pour l’imagerie de défaut. En dépit de la reconstruction imparfaite des réponses impulsionnelles, la technique proposée s’avère comparable aux méthodes actives avec une excellente résolution. On a proposé ensuite une extension de la méthode passive par corrélation de champs pour l’identification des zones de bruit. Un filtrage basé sur la technique de décomposition en valeurs singulières (DORT) est tout particulièrement utilisé pour améliorer les images de localisation. Des sources acoustiques secondaires ont été développées pour la translation du bruit ambiant basses fréquences en composantes hautes fréquences, utilisées pour localiser des défauts dans des plaques. Enfin, on a montré que ce type de méthode pourrait être également utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, en particulier, il a été souligné que l’intensité des images de localisation obtenues est liée à la section de diffusion de celui-ci.Green’s functions retrieval from ambient noise correlation has recently drawn a new interest in structural health monitoring. In this manuscript, we propose an original method based on this approach to detect and locate defects (cracks, holes, grooves) in a reverberant thin plate with a limited number of sensors. Flexural waves that propagate on the plate are generated by either a set of sources distributed randomly on the surface or an ambient noise. Covariance matrices are estimated from the sparse array after damage and compared to baseline-correlation matrix recorded from the healthy plate. An evaluation criterion has developed in the form of relative noise level to predict the quality of the GF reconstruction. The differential correlation matrix w/o defect is used to localize the defect. We have shown numerically and experimentally that this technique is exploitable for defect detection and localization, despite a non-perfect estimation of the GF. We have also proposed a passive technique to identify the regions of noise. A filtering technique based on the singular value decomposition is shown to improve the detection. A secondary acoustic sources have been developped to harvesting the LF ambient noise to HF field, used to localize defects in platelike structures. Finally, it was shown that such method could also be used to characterize a defect in a reverberant structure, in particular, it has been drawn that the obtained images intensity is related to the defect cross-section

Surveillance passive des milieux réverbérants par corrélation de bruit ambiant : application à la localisation de défauts

Green’s functions retrieval from ambient noise correlation has recently drawn a new interest in structural health monitoring. In this manuscript, we propose an original method based on this approach to detect and locate defects (cracks, holes, grooves) in a reverberant thin plate with a limited number of sensors. Flexural waves that propagate on the plate are generated by either a set of sources distributed randomly on the surface or an ambient noise. Covariance matrices are estimated from the sparse array after damage and compared to baseline-correlation matrix recorded from the healthy plate. An evaluation criterion has developed in the form of relative noise level to predict the quality of the GF reconstruction. The differential correlation matrix w/o defect is used to localize the defect. We have shown numerically and experimentally that this technique is exploitable for defect detection and localization, despite a non-perfect estimation of the GF. We have also proposed a passive technique to identify the regions of noise. A filtering technique based on the singular value decomposition is shown to improve the detection. A secondary acoustic sources have been developped to harvesting the LF ambient noise to HF field, used to localize defects in platelike structures. Finally, it was shown that such method could also be used to characterize a defect in a reverberant structure, in particular, it has been drawn that the obtained images intensity is related to the defect cross-section.La reconstruction passive des fonctions de Green par corrélation de bruit ambiant suscite aujourd’hui un grand intérêt en contrôle santé intégré (CSI). Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode originale reposant sur l’application de cette approche pour détecter et localiser des défauts (fissures, trous, rainures) dans des plaques minces réverbérantes avec un faible nombre de capteurs. Les ondes de flexion qui se propagent sur la plaque sont engendrées soit par un ensemble de sources aléatoirement réparties sur la surface ou un bruit ambiant. Un réseau de capteurs sensibles au déplacement normal permet d’estimer la matrice de corrélations inter-éléments avant et après l’apparition d’un défaut. Un critère d’évaluation de la qualité des corrélations est proposé sous forme d’un niveau de bruit relatif entre les résidus de reconstruction et les fonctions de Green. La matrice différentielle de corrélations avant et après défaut est utilisée pour l’imagerie de défaut. En dépit de la reconstruction imparfaite des réponses impulsionnelles, la technique proposée s’avère comparable aux méthodes actives avec une excellente résolution. On a proposé ensuite une extension de la méthode passive par corrélation de champs pour l’identification des zones de bruit. Un filtrage basé sur la technique de décomposition en valeurs singulières (DORT) est tout particulièrement utilisé pour améliorer les images de localisation. Des sources acoustiques secondaires ont été développées pour la translation du bruit ambiant basses fréquences en composantes hautes fréquences, utilisées pour localiser des défauts dans des plaques. Enfin, on a montré que ce type de méthode pourrait être également utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante, en particulier, il a été souligné que l’intensité des images de localisation obtenues est liée à la section de diffusion de celui-ci

Non destructive evaluation of adhesion quality in a bi-material structures

International audienceThe difficulty of applying ultrasonic techniques to bi-material structures lies in the fact that different phenomena coexist, such as the non-linear effects caused by the adhesion properties between matrix-fibers and the diffraction effect caused by the periodicity of those structures. This work deals with the study of the combined effect of non-linear effects on a 3D bi-materials structure “polymer-titanium.” For this purpose, a Snapscan system is used which generates high amplitude pulses and receives signals composed of the fundamental mode and the higher harmonics. The transducers used are chosen according to the thickness and the periodicity scale of the sample. First, measurements in transmission are made where the transmitted ultrasonic waves are measured by changing the angle between the receiver and the sample. For each angle, a spectrogram is realized. The experimental observations on the spectrograms show that for small incident amplitudes we measure only the fundamental frequency. When the amplitude is gradually increased, high harmonics are generated due to the non-linear stress-strain relationship. Then, reflection measurements were made to measure the Bragg spectrum. The results show that the internal defects (due to lack of adhesion) disturb the periodicity of the structure and thus the Bragg spectrum. This non-destructive technique can be a valuable aid for the automotive industry, for example, in order to control their products during manufacturing process

Resynchronisation en post traitement des signaux issus d'un réseau de capteurs ultrasonores indépendants: étude de la symétrie des fonctions de Green reconstruites par corrélation de bruit

National audienceLe Contrôle Santé Structurel (Structural Health Monitoring ou SHM) suscite un fort intérêt dans la communauté industrielle et fait l'objet de recherches actives au niveau international. La propagation d'ondes ultrasonores guidées dans les structures est dans ce domaine l'une des méthodes les plus prometteuses. Cependant, ces méthodes de SHM ultrasonore nécessitent ordinairement des sources contrôlées et synchronisées avec les récepteurs et n'exploitent en général que les premiers paquets d'onde des signaux enregistrés après propagation dans le milieu. Cela nécessite une électronique complexe et peu économe en énergie, difficilement compatible avec les contraintes du SHM, tout en n'apportant des informations que sur une partie limitée de la structure. L'idée générale est alors de mettre en oeuvre des solutions de traitement collectif des signaux ultrasonores permettant de suivre l'état d'une structure tout en limitant le caractère intrusif des instrumentations associées. En particulier, nous proposons d'aborder la possibilité d'utiliser un ensemble de capteurs ultrasonores indépendants les uns des autres. En particulier, on s'intéressera à la possibilité de resynchronisation en post-traitement des signaux issus des différents capteurs à partir de procédures de corrélation acoustique. Ceci réduira alors notablement la complexité du système de réseau de capteurs à implémenter pour l'imagerie de défauts.Des expériences préliminaires ont été conduites au laboratoire sur une plaque d'aluminium. Un bruit est généré en frottant sur des petites surfaces de la plaque. Un réseau de 8 capteurs piézo-électriques est utilisé pour la collecte de données ultrasonores. L'inter-corrélation entre les différentes paires de récepteurs est calculée pour reconstruire à partir du bruit les fonctions de Green entre ces paires-là. Dans un premier temps, on s'est intéressé à l'étude de la qualité des fonctions d'inter-corrélation de bruit. Ensuite, à la resynchronisation des récepteurs en post traitement en se basant sur la symétrie des fonctions d'inter-corrélation préalablement calculées

Detection and imaging of BVIDs in composite plates

International audienceComposite materials are increasingly used in the aerospace industry. However, they may be subjected to Barely Visible Impact Damages (BVIDs). BVIDs can occur during maintenance phases or during flight and are almost impossible to detect with the naked eye. Although very small, these defects greatly weaken the structure and present a significant safety risk if they are not detected early enough. Currently, very high frequency non-destructive testing methods can be used for BVIDs localization but involve immobilizing the aircraft. In addition, some parts are difficult to access. This explains the growing interest for Structural Health Monitoring or SHM in the industry. Indeed, the objective is to integrate the sensors throughout thelife of the aircraft and to carry out control in near real time. This makes possible to increase the frequency of inspections while reducing costs.Most aeronautical parts have plate-like geometries, and are therefore commonly inspected using ultrasound guided waves. Guided waves have the advantage of propagating over long distances, but are rapidly attenuated at high frequencies in composite materials. Linear methods require a sufficiently smallwavelength relative to the defect size and are sensitive to high-frequency heterogeneities. Furthermore, the microcracks created by BVIDs are partially closed and therefore difficult to detect with linear methods, even at high frequencies. Hence, we propose to use low frequency guided waves non-linear methods. Inorder to precisely locate defects, it is necessary to take the dispersive nature of guided waves into account. A Beam Forming algorithm with dispersion compensation in very anisotropic media is presented. In a first step, the algorithm has been validated numerically and experimentally in a linear imaging version for both A0 and S0, respectively from data simulated with the CIVA software and with measurements on a CFRP composite plate, in the frequency range 10kHz-90kHz. Then this algorithm will be adapted to the non-linear case with a pump-probe type setup, and evaluated on impact defects (BVID created by compressed air impactor)

Détection et imagerie des BVID dans des matériaux composites

National audienceLes BVID pour Barely Visible Impact Damage dans les matériaux composites sont un problème grandissant au sein de l’industrie aéronautique. Ces derniers peuvent apparaître lors des phases de maintenance ou durant le vol et sont quasiment impossibles à détecter à l’oeil nu. Bien que de très petite taille, ces défauts fragilisent grandement la structure et présentent un risque important pour la sécurité si ils ne sont pas détectés suffisamment tôt. Actuellement, des méthodes de contrôle non destructif très haute fréquence permettent de localiser les BVID mais impliquent d’immobiliser l’avion. De plus, certaines pièces sont difficilement accessibles. C’est pourquoi la thématique de contrôle de santé intégré ou SHM suscite de plus en plus l’intérêt dans l’industrie. En effet, l’objectif est d’intégrer les capteurs tout au long de la vie de l’appareil et de faire du contrôle en quasi temps réel. Cela permet d’augmenter la fréquence de contrôle tout en réduisant les coûts.La plupart des pièces aéronautiques sont de géométries assimilables à des plaques et on procède par conséquent à du contrôle par onde guidée. Ces dernières présentent l’avantage de se propager sur des grandes distances mais sont très vite atténuées à haute fréquence dans les matériaux composites. Les méthodes linéaires nécessitent une longueur d’onde suffisamment petite par rapport à la taille du défaut et sont sensibles aux hétérogénéités à haute fréquence. De plus, les microfissures créées par les BVID sont partiellement fermées et donc difficiles à détecter avec des méthodes linéaires, même à haute fréquence. On propose alors d’utiliser des méthodes non linéaires. Afin de localiser précisément les défauts, il est nécessaire de tenir compte du caractère dispersif des ondes guidées. Un algorithme de Beam Forming avec compensation de la dispersion en milieu anisotrope développé dans le cadre de la thèse est présenté. Dans une première étape, l’algorithme a été validé numériquement et expérimentalement dans une version d’imagerie linéaire, respectivement à partir de données simulées avec le logiciel CIVA et avec des mesures sur une plaque en composite CFRP. L’algorithme sera très prochainement adapté au cas non linéaire dans un dispositif de type pompe-sonde, et évalué sur des défauts d’impact (BVID créés par impacteur à air comprimé)