Modelling of the ultrasonic field radiated by an EMAT transducer into a ferromagnetic media

Le but de la thèse est de modéliser la génération d’ondes élastiques ultrasonores émises par EMATs dans une pièce ferromagnétique, modélisation appliquée au domaine du contrôle non destructif (CND). Les traducteurs EMATs combinent deux physiques différentes : électromagnétisme et élastodynamique. L’enjeu est d’intégrer dans la plateforme de simulation CIVA, dédiée notamment aux CND par courant de Foucault et par ultrasons, les éléments de modélisation inhérents à la problématique multi-physique posée. Ces éléments sont multiples et concernent premièrement la modélisation des forces électromagnétiques créées par un EMAT : la force de Lorentz, existant dans tous milieux conducteurs, et les forces d’aimantation et de magnétostriction, spécifiques aux milieux ferromagnétiques. Deuxièmement, la modélisation proposée prend aussi en compte le phénomène de création d’harmoniques, phénomène dû aux différentes forces et traduisant le fait que les fréquences de l’onde ultrasonore émise peuvent être des harmoniques des fréquences du signal d’excitation de l’EMAT. Le modèle de forces et de création d’harmoniques permet de modéliser des situations de contrôle non prises en compte par les modèles de la littérature, notamment lorsque les champs statiques créés par l’EMAT sont faibles ou lorsque le courant d’excitation possède une forte intensité. Enfin, les forces électromagnétiques sont transformées en contraintes surfaciques équivalentes pour correspondre au formalisme des données d’entrée des modèles de rayonnement des ondes élastiques implémentés dans CIVA. L’outil informatique développé permet donc de traiter toute configuration et condition d’utilisation des EMATs, constituant un outil d’optimisation de leur conception. Les caractéristiques électromagnétiques de différents matériaux, données par l’expérience, sont utilisées pour mener diverses études paramétriques.The present study aims at modelling the ultrasonic wave generation by EMATs into a ferromagnetic part in the context of non-destructive testing (NDT). Wave radiation by EMATs combines two different kinds of physical phenomena: electromagnetism and elastodynamics. The issue is to implement into the NDT simulation platform CIVA, dedicated in particular to eddy current and ultrasonic NDT, the models developed in the present work. These developments are of various nature and firstly concern the modelling of the electromagnetic forces created by an EMAT: the Lorentz force, existing in any conductive media, and the magnetization and the magnetostriction forces, which add up when the medium is further ferromagnetic. Secondly, the proposed models take into account the generation of harmonics due to the three forces. Ultrasonic frequencies of the generated ultrasonic waves can be harmonics of the frequencies of the excitation electrical signal. The model of force and harmonic generation allows us to deal with configurations not treated in the literature, namely, when the static field created by the EMAT is low or when the excitation current intensity is high. Finally, the three electromagnetic forces are transformed into equivalent surface stresses readily usable as entries of an existing model of ultrasonic wave radiation already implemented in CIVA. Thus, the combination of all these models and their translation as a numerical tool running within the CIVA platform can be used for optimizing the design of EMAT. Experimentally measured electromagnetic characteristics of different materials are used to perform various parametric studies