DIffusion Acoustique en Milieux Aléatoires et Non-linéaires – DiAMAN

Notre projet est au confluent d’un intérêt industriel (la caractérisation par ultrasons de milieux hétérogènes diffusants -aciers à grain, béton, milieux biologiques- et la détection de défauts s’y trouvant) et d’un intérêt physique plus fondamental (les matrices aléatoires et la propagation d’ondes en milieux complexes en régime non-linéaire). Les ondes ultrasonores sont en effet utilisées couramment dans de nombreuses applications (imagerie médicale, thérapie, contrôle non-destructif (CND) des matériaux) le plus souvent en milieu homogène ou faiblement hétérogène, parfois en régime non-linéaire.
Le problème général qu’il est proposé de traiter est celui de la propagation des ultrasons dans les milieux diffusants aléatoires et non-linéaires, à l’aide de réseaux multi-éléments d’émetteurs/récepteurs piézo-électriques en régime de forte puissance. Outre les applications directement concernées (CND, détection, imagerie médicale ou sismique), ce projet comporte un volet à caractère plus fondamental. Il s’articule ainsi autour de deux axes de recherches complémentaires et inédits :
- en régime linéaire, l’imagerie, la détection et la caractérisation ultrasonores des milieux diffusants aléatoires par séparation des contributions de «diffusion simple» et de «diffusion multiple»
- la propagation non-linéaire des ondes ultrasonores en régime de diffusion multiple dans les milieux hétérogènes aléatoires.

Les enjeux peuvent se décliner sous deux aspects :
- enjeux industriels/appliqués : dans l’inspection de matériaux hétérogènes ou poly- cristallins par ondes ultrasonores, le «bruit de structure», c’est-à-dire le signal diffusé résultant des hétérogénéités aléatoires structurelles du matériau est actuellement un sérieux handicap pour la détection de défauts (fissures, inclusions…). De plus, même en l’absence de défaut dans la structure, ce « bruit » constitue de fait la signature acoustique du milieu inspecté et par là-même il s’agit d’une source potentielle d’informations pour une meilleure caractérisation du milieu sain. Or il n’est toujours pas à l’heure actuelle correctement modélisé et prédit (sauf dans certains régimes « simples », de type basse fréquence, alliages peu hétérogènes…). A titre d’exemple, la détection de défauts dans des matériaux comme les aciers austénitiques à gros grains, constitue un défi d’actualité pour le contrôle des centrales nucléaires. On peut également citer le suivi par ultrasons de l’état de surface du béton d’enrobage. L’étude de bruit de structure ultrasonore diffusé dans de tels milieux est un sujet de recherches actives dans la communauté du contrôle non-destructif des matériaux, au niveau international. Nous proposons sur ce point de tester expérimentalement de nouvelles approches en vue d’améliorer les techniques existantes.

- enjeux académiques/fondamentaux : la « physique mésoscopique » des « ondes en milieux complexes » qui s’intéresse à la propagation des ondes de toute nature (optique, acoustique, sismique, électromagnétique, ondes de matière..) a connu un renouveau et un développement considérable ces 20 dernières années. L’avancée des connaissances et la production scientifique remarquable qui en a résulté a bénéficié de la fertilisation croisée entre par exemple acoustique et sismologie, optique et acoustique, ultrasons et micro-ondes... Toutefois, en matière de propagation d’ondes ultrasonores en milieu diffuseur aléatoire, la présence concomitante de non-linéarités et de forte diffusion multiple (« coda ») est un sujet à ce jour très peu exploré. Il y a un intérêt de physique fondamentale à aborder ce nouveau chapitre, tant d’un point de vue expérimental que théorique.

Pour mener à bien ce projet, nous avons constitué une équipe de trois laboratoires partenaires, proches géographiquement, aux compétences complémentaires. Le programme de travail associe de façon équilibrée campagnes expérimentales, modélisation et simulations numériques.