Multi-element ultrasonic imaging of anisotropic and multiply scattering solids by reflection matrix analysis - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Multi-element ultrasonic imaging of anisotropic and multiply scattering solids by reflection matrix analysis

Imagerie ultrasonore multi-éléments de solides anisotropes et multiplement diffusants par analyse de la matrice de réflexion

(1)
1

Abstract

This manuscript describes non-destructive testing of complex media by multi-element ultrasonic methods. Materials of interest are titanium alloys, whose complex microstructure triggers multiple scattering in the backscattered ultrasonic signals. Those alloys can also have a grain flow which makes their microstructure anisotropic. Measured signals are reflection matrices in the canonical basis, also known as inter-element response matrices. To analyze the multiple scattering regime, a simple numerical model is developed based on the Born expansion, to compute the contribution of the reflection matrices associated with each scattering order (single, double, triple...) to the total scattering matrix and analyze their correlations. It allows the computation of reflection matrices of a medium composed of randomly distributed isotropic fluid scatterers. A strong correlation is observed between single and multiple scattering matrices, mainly due to recurrent scattering. The latter is a component of multiple scattering for which the first and last scatterers are located in the same resolution cell. It shares some common properties with single scattering including the "memory effect", which results in a long-range correlation along the matrix anti-diagonals. The proposed simulation also enables the study of the single scattering proportion estimators defined in the literature. We show that they rather estimate the confocal scattering weight, which contains both single and recurrent scattering. Then, a new tool to separate confocal scattering is proposed, which requires the projection of the reflection matrices in focused bases in order to improve the selection of local information. Confocal scattering proportion estimators are experimentally calculated for titanium alloys samples, and show a significant contribution of multiple scattering in the backscattered signals at inspection frequencies. Finally, a method to determine the anisotropy direction of materials is proposed based on reflection matrix acquired with a two-dimensional transducer array. The method is validated with the simulation adapted to segments of aligned scatterers, both in the single and multiple scattering regimes, and applied to the characterization of titanium alloys grain flow.
Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent l'inspection de milieux complexes par ultrasons multi-éléments dans un contexte de contrôle non-destructif. Les matériaux d'intérêt sont les alliages de titane, dont la microstructure complexe à plusieurs échelles induit de la diffusion multiple dans les signaux rétrodiffusés. Ces alliages peuvent également présenter un fibrage, direction d’orientation privilégiée de la microstructure. L’acquisition des signaux ultrasonores est réalisée sous forme de matrices de réflexion dans la base canonique, encore appelées matrices des réponses inter-éléments. Pour mieux comprendre le régime de diffusion multiple, une modélisation simple basée sur le développement de Born est proposée pour calculer la contribution de chaque ordre de diffusion (simple, double, triple, etc.) à la matrice de réflexion totale et analyser leurs corrélations. Elle permet ainsi de calculer les réponses en réflexion d'un milieu composé de diffuseurs isotropes fluides répartis aléatoirement. Il apparaît une forte corrélation entre les matrices de diffusion simple et multiple, principalement due à la diffusion récurrente. Celle-ci est une composante de la diffusion multiple pour laquelle les premier et dernier diffuseurs se situent dans la même cellule de résolution, et présente des propriétés similaires à la diffusion simple, en particulier og l’effet mémoire fg{} se manifestant en champ lointain par une corrélation longue-portée le long des anti-diagonales de la matrice. La simulation permet également de mieux comprendre les estimateurs de proportion de diffusion simple, basés sur l’effet mémoire, qui sont proposés dans la littérature. Ceux-ci sont en fait des estimateurs de la proportion de diffusion confocale, regroupant à la fois diffusion simple et récurrente. Une nouvelle séparation des signaux de diffusion confocale est proposée dans la base focalisée, nouvel espace d’étude permettant d’obtenir des informations locales sur le milieu. Expérimentalement, les estimateurs de proportion de diffusion confocale sont appliqués aux alliages de titane et prouvent qu’il existe une forte contribution de diffusion multiple dans les signaux rétrodiffusés aux fréquences d’inspection. Enfin, une méthode de traitement de la matrice de réflexion acquise à l’aide d’une sonde bi-dimensionelle est proposée pour déterminer la direction du fibrage de matériaux anisotropes. Cette méthode est validée par la simulation numérique précédente adaptée à des segments de diffuseurs alignés, à la fois dans un régime de diffusion simple et de diffusion multiple, et appliquée à la détermination du fibrage d’alliages de titane.
Fichier principal
Vignette du fichier
ESPCI_CecileBRUTT_2021.pdf (21.8 Mo) Télécharger le fichier
Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03574386 , version 1 (15-02-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03574386 , version 1

Cite

Cécile Brutt. Imagerie ultrasonore multi-éléments de solides anisotropes et multiplement diffusants par analyse de la matrice de réflexion. Acoustique [physics.class-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPSLS084⟩. ⟨tel-03574386⟩
143 View
64 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More