1.5.1 Le CSI au sein de l’IEMN
Dans notre laboratoire, la thématique du CSI a été abordée depuis quelques années pour des applications SHM dédiées au domaine des transports, en particulier, à la détection et l’imagerie passive de défauts dans des milieux réverbérants. Différents travaux ont été réali-sés sur des plaques et tubes pour des applications tournées principalement vers le domaine aéronautique. Un des objectifs principal est le développement de réseaux de capteurs CSI à basse consommation, purement passif.
Concernant les plaques minces réverbérantes, on peut citer les travaux d’E. Moulin [89] et de N. Abou Leyla [90] qui montrent la possibilité de détection d’un défaut dans une plaque en dépit d’une distribution non uniforme des sources de bruit sur celle-ci. Cette approche est ensuite appliquée au structures de type tubes dans les travaux de S. Djili et al. [91]. La fonction de Green est estimée par corrélation de l’écoulement d’eau dans un tube d’acier, entre deux transducteurs passifs. La reproductibilité de la fonction d’intercorrélation et sa sensibilité à la présence d’un défaut ont été vérifiées pour des fréquences allant de 200 Hz à 35 kHz. Par la suite, H. Achdjian [92], montre dans ses travaux de thèse qu’une estimation passive de l’énergie injectée par les sources ambiantes dans le milieu peut être obtenue par corrélation des signaux enregistrés entre deux capteurs en écoute passive. Plus récemment, L. Chehami [93], dans ses travaux de thèse (soutenue le 01/12/2015 à l’Université de Valenciennes), a démontré que cette approche peut être appliquée pour détecter et localiser des défauts (fissures, trous, rainures) dans les plaques minces réverbérantes en utilisant un faible nombre de capteurs. Il a été démontré que ce type de méthode pourrait être utilisé pour caractériser un défaut dans une structure réverbérante.
Dans tous les travaux décrits dans la bibliographie et notamment concernant les systèmes de surveillance des structures et infrastructures ferroviaires, ainsi que les travaux sur le CSI des milieux réverbérants, la littérature ne s’est intéressé qu’à des structures de type tubes et plaques, en particulier pour une application aéronautique. Aucun travail n’a traité l’appli-cation de l’approche CSI aux structures ferroviaires telles que les rails et les roues. De plus, les travaux existants sur la détection passive de défauts ne considèrent pas la mise en réseau
des différents capteurs avec des liens sans fil. Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit trouve son originalité dans ce contexte. Comme nous le verrons par la suite, il s’agit de mettre en place une plateforme de “réseau de capteurs”. L’idée est d’intégrer l’aspect réseau dès les phases amonts de conception du système.
1.5.2 Objectif des travaux présentés dans ce manuscrit
Les résultats des travaux de recherche sur la thématique du CSI au sein de notre la-boratoire ont permis de mettre au point des algorithmes de détection d’endommagement basés sur des techniques acoustiques passives. Le principe de mesure a d’ores et déjà mon-tré sa validité au laboratoire sur des structures de type plaques minces ou tubes, à partir d’un petit nombre de capteurs filaires classiques reliés à un dispositif d’acquisition standard (oscilloscope, interface GPIB).
Dans la continuité de ces travaux, le but ultime des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est d’étudier la faisabilité d’une plateforme de communication pour les réseaux de capteurs sans fil, autonomes et intégrables pour une application réelle de CSI. Plus précisé-ment, on s’intéresse à des applications de type “ambient noise correlation”, rendant possible une inspection des structures, en disposant des capteurs en écoute passive uniquement, sans avoir recours à des émissions ultrasonores. Cependant, la présence d’un grand nombre de sources acoustiques naturelles dans le milieu ferroviaire, comme le bruit généré par le contact roue-rail et les bruits aérodynamiques rend cette application éligible. Ainsi, une telle appli-cation est d’un grand intérêt d’un point de vue limitation de la consommation d’énergie.
Ce travail s’intéresse d’une part, à la partie acoustique qui consiste à exploiter les signaux acoustiques quasi-aléatoires se propageant dans la structure pour la détection de défauts. Ainsi, nous validons dans le chapitre deux l’approche de CSI par corrélation de bruit dans un contexte ferroviaire et nous établissons les conditions expérimentales de convergence vers la fonction de Green.
Figure 1.11 – Reconstruction de la fonction de Green entre deux points à partir de la corrélation des bruits acoustiques mesurés en ces deux point.
D’une autre part, nous nous intéressons à la définition des procédés de pré-traitements nécessaires pour le conditionnement des signaux afin de les rendre compatibles avec les contraintes de la communication sans fil basse consommation. Afin de remplacer les liai-sons filaires entre les capteurs et la station de base, permettre une couverture plus large et
dense et de mettre en réseau les capteurs, nous proposons dans le chapitre trois une solution basée sur la technologie ZigBee.
Figure 1.12 – Surveillance passive des structures par un système de CSI basé sur la tech-nologie ZigBee.
Nous montrerons expérimentalement que cette technologie nous permet de transmettre, en un seul saut, des données sur un rayon de 75 m dans un environnement ferroviaire. Dans le cadre de ces travaux, nous nous intéressons également à l’aspect communication sans fil des données des capteurs vers la station de base et à la gestion du réseau. Ces deux derniers points feront l’objet du chapitre quatre.
1.6 Conclusion
Dans ce chapitre, les notions de bases sur les réseaux de capteurs sans fil sont rappelées, dans un premier temps. Nous avons présenté les WSNs d’une manière générale en mettant l’accent sur leur mise en œuvre et les différentes contraintes liées à leur conception. Dans un deuxième temps, Nous nous sommes concentrés sur l’architecture matérielle d’un nœud capteur en passant en revue les types de nœuds capteurs, les éléments les constituants et leurs caractéristiques particulières. Ensuite, nous avons identifiés les différentes familles des WSNs. Finalement, après avoir présenté les particularités de ces réseaux, nous avons souligné la nécessité et l’apport des WSNs dans différents domaines à travers des exemples d’application allant du domaine militaire aux réseaux d’instrumentation et de mesures, en passant par le domaine du contrôle non destructif des structures, recueillies d’après plusieurs références bibliographiques. Ce domaine d’application est étroitement lié à l’objectif principal de ce travail de thèse, qui est de développer une plateforme de communication sans fil pour le contrôle-santé des structures ferroviaires.
Une recherche sur les systèmes de surveillance-santé des infrastructures ferroviaires a été conduite et les différents capteurs et plateformes ont été décrit. Les problématiques de la communication sans fil et de la minimisation de la consommation d’énergie dans un envi-ronnement ferroviaire ont été posées. Dans ce sens, notre système de CSI se basera sur des techniques acoustiques passives de contrôle par corrélation de champ de bruit. Afin d’éva-luer les capacités d’une telle technique, il apparaît essentiel d’étudier la faisabilité de cette méthode dans un contexte ferroviaire.