mc42 printemps 2007

1MC42 – Acoustique – P07

MC42Printemps 2007

Contrôles Ultrasonores

Le son Echographie industrielle Micro-échographie Propriétés élastiques des matériaux Micro-interférométrie acoustique


16 Hz 20 kHz

Les infrasons La zone audible Les ultrasons

Son : onde vibratoire qui a besoin d'un milieu matériel pour se propager.

Temps (ms, s ou ns)

Amplitude (mV)

Période TFréquence de l’onde en Hertz

(Hz) : 1/T ,avec T en seconde)

Longueur d’onde (en m) :

Vitesse de l’onde / fréquence

Caractéristiques principalesdes ondes acoustiques

LE SON

On distingue trois catégories d'onde acoustique :

Contrôle US :+ 1 MHz


Oscillations pures : )ftsin(2AA 0

Oscillations amorties :

Système parfait, existence seulement en mode entretenu

Réalité des ondesutilisées en acoustiquePrincipe de train d’ondes

I =I0.exp(-x)

Notion : - d’intensité d’énergie- d’absorption () de l’énergie par le milieu- d’épaisseur traversée

Quelques exemples, varie de :

- 1dB/m pour l'eau,- 5 à 200dB/m pour les métaux - 500dB /m pour le plexiglas (à 2 MHz).

- Etalement du faisceau- Dissipation thermique par frottement- Phénomène de diffusion

Train d’ondeSalveBurst

LE SON


Ainsi, dans les liquides ou les gaz, qui sont des milieux n'offrant aucune résistance au cisaillement, les ondes ultrasonores sont de type longitudinales, les particules matérielles se déplaçant, par rapport à leur position d'équilibre, parallèlement à la direction de propagation de l'onde, engendrant des fronts de compression et de décompression , eux-mêmes perpendiculaires à cette direction.

Les ondes ultrasonores, vibrations élastiques de la matière, ont des propriétés liées aux caractéristiques élastiques du support matériel.

Relations entre les propriétés élastiques des matériaux et les propriétés des ondes acoustiques …

LE SON


Les 3 types d'ondes principalement utilisés dans le contrôle par ultrason :

• les ondes longitudinales ou de compression,• les ondes transversales ou de cisaillement,• les ondes de surface ou de Rayleigh,

Longitudinale

Transversale

Type d’onde le plus utilisé, le plus facile à générerPrésence dans les solides, les liquides, les gaz

Type d’onde peu usité directementPrésence uniquement dans les solides

LE SON


Surface :

Type d’onde peu usitéPrésence uniquement dans les solidesPhénomène de surface (disparition sous )Si l'épaisseur du matériau est de l'ordre de , des ondes de plaque dites de Lamb apparaissent.

Rayleigh

Lamb

Symétrique

Asymétrique

: longueur d’ondeType d’onde très peu usité

LE SON


Quel que soit le mode, l’onde sera caractérisée par :

- une propagation de type linéaire (toujours vrai quel que soit le mode)- une vitesse (différente pour chaque mode !)

Quel que soit le mode, la fréquence de l’onde est dépendante :

- de la source émettrice uniquement

Vr < Vt < Vl

Vitesse des ondes de Rayleigh

Vitesse des ondes transversales

Vitesse des ondes longitudinales< <

Quel que soit le mode , quel que soit le matériau :

- l’atténuation est proportionnelle à la fréquence au carré- plus la fréquence est élevée, plus la résolution est grande- nécessité de toujours trouver un compromis entre résolution et amplitude du signal …

LE SON


Génération et détections des ondes ultrasonores : l’élément piézo-électrique

Pastillepiézo-électrique

Boitier

Face de protection(épaisseur en /4)

Bloc amortisseur

Bobine d’accord(Adaptation d’impédance)

Principe : effet piézo-électrique découvert en 1880(production d'un potentiel électrique sous l'effet d'une compression appliquée à une lame de tourmaline taillée selon les axes cristallographiques du monocristal). La réciprocité du phénomène (production d'une vibration mécanique à partir d'une impulsion de tension électrique) fut mise en évidence à la même époque ouvrant la voie à la réalisation d'un transducteur ultrasonore

Matériau piézoélectrique : titanate de baryum, métaniobate de plomb, films polymère (polyfluorure de vinylidène)

Taille spéciale du cristal ou épaisseur de film : f0 = V / (2a) avec f0 : fréquence fondamentale de raisonnance, a :épaisseur de la lame, V : vitesse du son dans le matériau

LE SON

Capteur: transducteur


Les techniques acoustiquesEchographie

Interférométrie acoustique

Micro-échographie

Détection de défauts :Phénomène de réflexion et transmission d’onde au passage d’une interface

Recherche manuelle de défautEx: pipeline, cordon de soudure

ImagerieScanning 3D de piècesProfilométrie

Visualisation de surface, propriétés élastiques :Utilisation des propriétés des ondes de surface, phénomène d’interférence

LE SON


son orientation :

elle détermine la direction selon laquelle le faisceau émis est réfléchi. Un défaut perpendiculaire au faisceau émis interrompt plus largement celui-ci qu'un défaut incliné ou parallèle au faisceau,

sa grandeur :

plus un défaut est important plus il intercepte une grande section du faisceau émis (réflexion partielle) et réfléchit l'énergie jusqu'à interrompre la transmission (réflexion quasi-totale),

sa nature :

plus l'impédance acoustique du défaut est différente de celle de la pièce, plus la réflexion est importante et plus la transmission est altérée.

En échographie ou micro échographie, pour espérer détecter un défaut, il faut prendre en compte:

LE SON


Phénomène de réflexion et transmission en incidence normale

Quelques exemples d'impédance pour des matériaux courants :

Matériau Zl (106 Kg/m2s) Zt (106 Kg/m2s)

Eau (298K) 1,49 -

Mercure (298K) 19,8 -

PMMA 3,16 1,3

Acier (1%C) 46,6 25,3

Aluminium 17,0 8,4

L’importance de la réflexion est déterminée par l’impédance acoustique :

Z = V x avec V : Vitesse de l’onde (km/s) et masse volumique en kg/m3

L'impédance acoustique s'exprime en 106 Kg.m-2s-1 soit 1 Rayleigh .

Les différences d’impédance acoustique sont à l’origine de la détection des défauts dans les pièces industrielles.

LE SON


21

2211

ZZ)(milieuZ)(milieuZR

Définition du coefficient de réflexion (il s'exprime en général en pourcentage de l'onde incidente) :

Milieu 2

Milieu 1Onde en incidence normale Réflexion d’une

partie de l’onde

Transmission d’une partie de l’onde

Phénomène de réflexion et transmission en incidence normale

T = 1-RCoef. de transmission :

Plus la différence d’impédance sera grande entre les milieux 1 et 2 :- plus l’énergie réfléchie sera grande- plus l’amplitude des échos sera grande- plus le défaut sera visible

LE SON


l D2

4 avec D le diamètre de la source

Etalement du faisceau, zone de Fresnel, atténuationZone de Fresnel

Etalement et divergence du faisceauPerte progressive d’amplitude du signal

1,22 D

Zone de Fresnel, inexploitable :

L'énergie dans l'axe décroît régulièrement à cause de l'étalement du faisceau mais aussi à cause de l'atténuation de l'onde par le milieu.L'atténuation ultrasonore suit assez bien la loi exponentielle de la forme :

I =I0.exp(-x)Avec : coefficient d'atténuation et x : l'épaisseur traversée.

A titre indicatif : varie de 1dB/m pour l'eau à 5 à 200 pour les métaux et 500 pour le plexiglas (à 2 MHz).

LE SON

14MC42 – Acoustique – P07Phénomène de réflexion et transmission en incidence oblique

Tout comme la lumière :

Les ondes ultra sonores diffractent également en incidence oblique :

Vitesse(2)Vitesse(1)

sinsin

2

1

Loi de Descartes (appliquée à l’acoustique) :Milieu 1

Milieu 2

LE SON


OT réfractéeOL réfractée

OT réfléchie

OL réfléchieOL incidente

Milieu 1Milieu 2

IL RL

RT

rT rL

RL = IL

OT réfractée

OT réfléchie

OL réfléchieOL incidente

Milieu 1Milieu 2

ILRL

RT

rT

RL = IL

Disparition d’onde longitudinale réfractée

Il faut définir des inclinaisons du faisceau incident qui permettent d'éliminer la majorité des ondes réfractées au bénéfice d'une seule : les ondes transversales pour la recherche de défauts.

L

L

L T

T

Solide 1Solide 2

T

L

L T

T

Solide 1Solide 2

L

L

L T

Solide Liquide

T

L

T

L

Solide Liquide

L

TL

L

Liquide Solide

Différents cas de figure :

Attention : pas d’onde transversale dans les liquides, pas d’US dans l’air (aux fréquences utilisées en contrôle industriel)

LE SON


Notion d’angles critiques :

L

TL

L

Liquide Solide

L

T

LLiquide Solide

L

TL

LLiquide Solide

Augmentation de l’angle d’incidence

Disparition des OLAngle critique OL

Disparition des OTAngle critique OT

L_acier

L_eaur)L(eau/acie

L_acier

L_eauVVarcsin oùd' V

V)90sin()sin(

T_acier

L_eaur)T(eau/acie V

Varcsin

Descartes :

Ondes longitudinales

(vitesse en m/s)

Ondes transversales

(vitesse en m/s)

Angles critiques

Eau 1480 - 14,3° (OL)Acier 5980 3220 27,4° (OT)

Passage eau /acier :

LE SON


Définition des angles d’attaque optimum :

Cale en ½ lune :

2 trajets d’ondeImpossible de localiser le défaut

Un seul trajet d’ondeTransmission maxiAngle d’attaque retenu

Onde de surfaceImagerie surfacique

Définition de matériel (« sabot ») adapté pour l’analyse d’un type unique de matériau

Applications : l’échographie acoustique (utilisation de capteur à contact)

- cordon de soudure (fêlure, soufflure, bulles …) - délamination- contrôle d’arbre mécanique …

Echographie industrielle


Emetteur / récepteur OL

Circulation onde transversale

Onde à 45° dans le matériau

Sabot conçu pour 1 type de matériau

Sabot classiques

Sabots spécifiques

Attaque droite capteurs OL ou OT (Emetteur / récepteur)

Adaptés aux configurations de la pièce

Mesure d’épaisseur de tube, de plaqueRecherche de corrosion interne…

Mesure de temps de volRecherche de pic à l’oscilloscope



Appareillage de contrôle portatif industriel

- Un générateur d’impulsion / oscilloscope (éventuellement sur batterie)- Mesure directe de distance (après étalonnage)- Un cordon blindé- Un jeu de sondes (OL voire OT) plusieurs câles (angles d’attaque ≠)- Fréquences des sondes entre 1 et 15 Mhz- 2 liquides de couplage spécifiques (sonde / sabot, sabot / pièce)

Difficulté : visualisation des défauts et interprétation

Les défauts parallèles à la direction de l’onde ne sont jamais détectés varier les angles d’analyse



Exemple : cordon de soudure

Mouvementdu capteur

Soudure

OL

OT

Réflexioncomplète

OL

OT

OL

OT

Echo défaut visible

Echo défaut non visible

La visualisation du défaut = pics sur l’oscilloscope

Difficultés d’interprétations :

Pic marquéLe déplacement en X donne une idée de la hauteur de la fissureLe déplacement latéral donne une idée de la longueur de la fissureSensibilité angulaire très marquée

Pics très diffus (« forêt de pics)Faibles amplitudesForte sensibilité aux déplacements

Estimationdistance



Conclusions sur l’échographie industrielleMéthode simple et rapideMéthode peu onéreuseMatériel portatifUtilisation nécessitant de l’expérience

- interprétation de signaux à l’oscilloscope- mise en place d’un protocole de manipulation

Nécessité impérative de ne pas rater un défaut …

Réglage Base temps

Réglage Amplitude

2.25 MhzSabot (OL)

2.25 MhzOT

2.25 MhzOL

5 MhzOLSabot pour acier

OT à 45°, 60°, 70°

Oscilloscope de terrainLecture directe distanceaprès étalonnage



Image subsurfacique (scanning)Image 3D

Microéchographieacoustique

Moyens à mettre en œuvre :

- Sonde à immersion avec ligne à retard- Fréquences : de 10 à 100 Mhz- Pièce immergée- Tables de déplacement X, Y, Z- Oscilloscope haute fréquence (>150 Mhz)- Générateur d’impulsions- PC pour l’acquisition et le pilotage

Utilisation de sonde focalisée :

- ponctuel (calotte sphérique)- linéique (calotte cylindrique)

Recherche d’axe d’orthotropie(matériaux composite à base de fibres)

Scanning 2D ou 3D

Micro-échographie


Tables de déplacement (resol. 1um)

h

Liquidede

couplage

Transducteur focalisé z (résol. : 1um)

yx

La micro-échographie est sensiblement plus difficile à mettre en place :

- immersion complète des pièces- coût des équipements + élevés

La sonde est différente des sondes « contact » utilisées en échographie industrielle :

- focalisation- fréquence + élevée- ligne à retard pour l’immersion et la séparation entre l’émission et l’écho de lentille

Micro-échographie


Paramètres influant :- liquide de couplage (absence d’US dans l’air au-delà de 1Mhz)- fréquence de la sonde- autres : courbure, focalisation de la sonde, état de surface …

Liquide de couplage :

Les qualités essentielles d'un fluide de couplage sont :

- une faible atténuation (sachant qu'elle est proportionnelle à la fréquence du signal au carré) - une impédance acoustique compatible avec celle du matériau étudié - une bonne compatibilité chimique (non corrosif, non solvant, mouillabilité) - une température constante - autres facteurs : commodité d’emploi, sécurité, prix

A température ambiante seules les métaux liquides (type mercure avec pb de sécurité d’emploi …) sont plus performants que l’eau déminéraliséeLes meilleurs performances sont obtenues avec des fluides cryogéniques (prix, emploi, sécurité … ?)

Eau déminéralisée (eau bouillie, suffisant)+ agents anti-oxydants

Micro-échographie


Fréquence de la sonde : compromis entre atténuation du signal et résolution

2

2c343

p s k 1Cp

Atténuation :

Avec : : la pulsation de l'onde (2f)c : la vitesse de propagation : la masse volumique du milieup : la viscosité massique du milieus : la viscosité dynamique du milieuk : le coefficient de conductivité thermique du milieuCp : la chaleur spécifique du milieu, à pression constante : le rapport des chaleurs spécifiques à pression et volume

constant

Conversion de l’énergie mécanique en chaleur(frottement)

Résistance liée au déplacement des fronts d’onde le long de l’axe

de propagation

Résistance liée au déplacement des fronts d’onde perpendiculairement à

l’axe de propagation

En pratique * :

* : Dans la plupart des liquides, la perte due à la variation de température est négligeable devant les pertes par viscosité. De plus, d'après Stockes, la viscosité longitudinale est négligeable devant la viscosité transversale (fluide incompressible)

f 2

22

c343s

Atténuation croît avec le carré

de la fréquence du signal

Micro-échographie


P0,89

sin 2 0 0

0sin61,0

w

Résolution longitudinale :≈ résolution dans l’épaisseur

Résolution transversale :≈ résolution « surfacique »

Résolution :

Profondeur de champ :

Avec : 0 : Longueur d’onde dans le liquide de couplage : Longueur d’onde dans le matériau étudié0 : ½ angle d’ouverture de la lentille

Critère de Rayleigh :

Rappel : = Vitesse onde / fréquence onde

Fréquence Résolution

D’où compromis concernant la fréquence à employer : Fréquence Résolution Fréquence Atténuation (amplitude des échos)

Micro-échographie


Autres paramètres influant en microéchographie

Degré de focalisation

Etat de surface

Plus la sonde est focalisée plus on privilégie la concentration d’énergie ponctuellement (meilleure profondeur de champ au détriment de la résolution transversale)

Plus la surface est homogène, plus la rugosité est faible, meilleurs sont les phénomènes de réflexion et de transmission (réduction de la diffusion parasite)

En défocalisant le faisceau de la surface, le point focal se déplace sous la surface en se rapprochant de celle-ci

Tm=(F-Te)/(Vm-Ve)

Micro-échographie


Tâche focale (volume affecté)

Le volume analysé est un cylindre dont le diamètre et la hauteur sont estimés par :

= F/d avec : longueur d'onde du signal dans le liquide couplage,F : distance focale de la sonde d : diamètre d'ouverture de la sonde.l = 4(F/d)2

Distance focale

O F

Milieu 1 Milieu 2

R

F

2

1

21

1VVn indicel' avec n1

RVV

RVF

Micro-échographie


Après la théorie vient la pratique. Là, il faut composer avec le matériel :

- fréquence des sondes ?- pas de déplacements pour l’imagerie ?- réglage de l’oscilloscope pour l’acquisition et le traitement de signal …

Sonde fortement focalisée

Sonde faiblement focalisée

50 Mhz -100 Mhz

10 – 25 Mhz

Ligne à retard

Micro-échographie


Tout commence par l’échogramme … le spectre complet

Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)

Pulse Echo de lentille

Surface échantillon

Fond échantillon

2ème écho de fond

t1 t2 t3 t4

A1max A2max1 2 3

yx

12 3

Réglages possibles à l’oscilloscope :- Amplitude en mV- Base de temps (ms ou us)- Déplacement de la zone d’acquisition dans le temps

Problème : à l’oscilloscope seule une petite partie du spectre est visible

Le fait de déplacer en Z la sonde permet de voir se déplacer les pics 2, 3 et suivants s’il y en a, donc de se repérer et d’identifier les différents échos (changement d’impédance)

Micro-échographie


Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)

Pulse Echo de lentille


Fond échantillon

2ème écho de fond

t1 t2 t3 t4

A1maxA2max1 2 3

Exploitation de l’échogramme

A B C D

A : aucun intérêtB : profilométrie, image de surfaceC : visualisation de défauts sous la surface (image 3D), mesure de vitesseD : mesure du coefficient d’atténuation :

12e

ln

A1

A2

Avec e : épaisseur

Les zones C et D sont les plus utilisées en microéchographie

Micro-échographie


Construction d’une image de surface

- Recherche de l’écho 2 - Balayage en X et Y pour régler l’horizontalité de la surface- Recherche de la focale (écho 2 amplitude maximale)- Définition de l’image (nb points, espacement entre les points)- Réglage de l’oscilloscope (écho 2 plein écran)

Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)

PulseEcho de lentille


Fond échantillon 2ème écho de fond

t1 t2 t3 t4

1 2

Acquisition de l’amplitude du signal à chaque point de mesureConstitution d’une matrice de valeurs de tensionChaque Valeur traduit une valeur de réflectivité correspondant au matériau

Micro-échographie


125 150 … …

110 … … …

… … … 135

… … 95 120

Traitement et imageTableau de mesures(amplitude écho en mv) Recherche de mini et maxi :

- Valeur maxi = blanc - Valeur mini = noir - Valeurs intermédiaires: calcul du gris (passage du blanc au noir en 255 valeurs …)

… …

… … …

… … …

… …

1 point de mesure= 1 pixel

Images en niveaux de gris

255minmaxminvaleurintgris

Possibilité d’image en 16 millions de couleurs :- 3 paramètres de 0 à 255 : rouge, vert, bleu- création de palettes pour pondérer chacun des paramètres avec la valeur de l’amplitude de l’écho

Micro-échographie


Construction d’une image sous la surface (interface)

- Recherche de l’écho 2 - Balayage en X et Y pour régler l’horizontalité de la surface- Recherche de la focale à l’interface (écho 3 amplitude maximale)- Définition de l’image (nb points, espacement entre les points)- Réglage de l’oscilloscope (écho 3 plein écran)

* Acquisition de l’amplitude du signal à chaque point de mesure* Constitution d’une matrice de valeurs de tension, puis constitution de l’image

Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)



Interface Echo de fond

t1 t2 t3 t4

1 2 3

Dépôt

Substrat

Sonde

Micro-échographie


Construction d’une image profilométrique de la surface- Recherche de l’écho 2 - Balayage en X et Y pour régler l’horizontalité de la surface- Mesure de la vitesse de l’onde dans le liquide de couplage- Recherche de la focale à la surface (écho 2 amplitude maximale)- Définition de l’image (nb points, espacement entre les points)- Réglage de l’oscilloscope (écho 1 et 2 plein écran)- Mesure du temps entre les pics maxi des échos 1 et 2

Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)



Temps enregistré

1 2 3

* Acquisition du temps de vol à chaque point de mesure* Constitution d’une matrice de valeurs de temps, conversion en distance, puis constitution de l’image

Profil de surface 3D

Micro-échographie


Construction d’une image 3D dans la pièce

- Traitement en divisant l’enregistrement en tranche de temps (dons d’épaisseur constante)- Création d’image 2 D : coupe de la pièce (épaisseur paramétrable)- Animation des images une à une : séquençage, on traverse ainsi la pièce visuellement

Temps (ms ou us)

Amplitude (mV)

Echo de surface Echo de fond

Enregistrement de tout le signal entre l’écho de surface et l’écho de fond

Image 1 Image 2 Image nTraversé du matériau

Micro-échographie


Exemples détaillés

Profilométrie

Profil scanné : 2,5cm x 2,5cm, pas 250 microns

Isolation écho de lentille / écho de surfaceCalibration Vitesse onde dans liquide de couplageRelevé de temps de volCartographie 3D profil (résolution dépendant de la fréquence et de l’état de surface)

Etude d’une matrice polymère fibrée (4000um x 4000um par pas de 40um)

Fibres 17umSonde : 25 Mhz



Micro-échographie


Relation entre les ondes ultrasonores et les propriétés élastiquesdes milieux traversés

Son : onde vibratoire qui a besoin d'un milieu matériel pour se propager. Il s’agit d’un mouvement élastique de la matière.

Les vitesses des ondes ultrasonores (type longitudinale, transversale ou surfacique) sont donc intimement liées aux propriétés élastiques des milieux traversés

La théorie des milieux élastiques permet de démontrer que les vitesses de propagation des ondes ultrasonores longitudinales (Vl) transversales (Vt) et de Rayleigh (Vr) sont liées aux caractéristiques du matériau par les relations suivantes :

)2)(1ρ(1)E(1Vl

12ρEVt 0,9VtVr

Avec E : module d'Young (Pa) ; : masse volumique (kg/m3) ; : coefficient de poisson

(en m/s)

Propriétés élastiques des matériaux


Dans un milieu considéré comme isotrope, on peut déduire des vitesses les caractéristiques mécaniques essentielles :

2

t2l

2t

2l

2t

VV4V3VVE

2t

2l

2t

2l

VV2VV

21

L’onde de surface (Rayleigh) résulte d’un combinaison de mouvement entre les ondes longitudinale et transversale déphasée de /2.La vitesse des ondes de Rayleigh peut être déduite de la formulation complète suivante :

0VV116V

VVV238V

V8VV 2

L

T2

T

R2

L

T4

T

R6

T

R

6 solutions potentielles avec comme hypothèse VR ≈ 0.9VT

Solution simplifié (formulation dite de Viktorov) : 2

L

T

2

L

T

TR

VV0.75

VV0.718

VV



L’utilisation de ces formules supposent un matériau de nature homogène et isotrope (par rapport à la longueur d’onde …).

La détermination des vitesses des ondes longitudinale et transversale peut être obtenu à partir de l’utilisation de palpeur droit à contact sur un échantillon parfaitement plan, d’épaisseur parfaitement connue.

OLEpaisseurConnue e

OT

Pulse

Echo de Fond 1

Echo de Fond 2

Echo de Fond 3

Echo de Fond 4

Temps pour 6 e

Mesure de VL et VT

Mesure de VR ? Micro-interférométrie Acoustique


41MC42 – Acoustique – P07Micro-interférométrie Acoustique

L’interféromètre acoustique est constitué de 4 parties distinctes:

•la partie acoustique du microscope (le transducteur) ,•la partie électronique qui permet d'exciter le capteur acoustique puis de séparer et détecter le signal porteur d'informations liées aux propriétés acoustiques des matériaux,•la mécanique de placement a pour objet de positionner le capteur acoustique par rapport à l'échantillon étudié,•le traitement du signal numérique constitue l'interface homme/machine, il permet d'obtenir des images (cartographie) ou des courbes des paramètres élastiques (vitesses, module d'Young, coefficient d'absorption...).

Transducteur

Tables de déplacement(résol. 0.1um)

Partie électronique

Micro-interférométrie


L’ensemble des réglages (porte de mesure, puissance du signal, planéité ..) est piloté par un PC avec un soft adapté.Les réglages sont encore beaucoup plus fins et demandent une certaine pratique.

Principe de fonctionnementTransducteur 600 Mhz

2 cm

Fréquence de quelques dizaines de Mhz à plusieurs Ghz (matériau poreux).



La signature acoustique V(z) (ou théorie du contraste) permet :•l'analyse qualitative à l'aide de l'imagerie acoustique. La réalisation de cartographie en surface ou sous la surface (la profondeur d'analyse est fonction de la nature de la lentille utilisée) permet de visualiser des défauts, des trous ou des porosités dans les matériaux,

Imagerie de surface (visualisation de porosité, de variation de propriétés élastiques, de présence de matériau amorphe …)

(1mm x 0,7 mm, pas 1um)

Exemple : Alliage cuivre / argent cristallisé



•l'analyse quantitative des propriétés des matériaux (module d'Young, coefficient de Poisson, module transversal de cisaillement) : Théorie du contraste ou V(z)

Image optique :porosité de 2,52%.

Image acoustique : porosité de 2,63 %.

z

r

Onde directe

Onde de surface

Eau

Echantillon

Capteur piézo

r

Principe : interférence entre 2 chemins d’onde principauxLe trajet direct (réflexion directe), le trajet suivi par l’onde surface

Les ondes de surface se réemettent symétriquement par rapport à l’axe du transducteur


45MC42 – Acoustique – P07Les ondes de surface sont générées avec une incidence égale à l'angle critique r spécifique à chaque matériau:

r

couplage liquide

VVAsinr

La forme en calotte sphérique permet également de générer les ondes longitudinale et transversale à la surface. Elles se réémettront à l’interception de défaut.

2

r

couplage liquide

couplage liquide

VV112

z

En faisant varier la défocalisation z dans le matériau, le déphasage de l'onde directe et de l'onde de surface va varier. Leur phase relative fera alterner des signaux constructifs et destructifs. Avec une période définie par :

Représentation de la valeur crête du signal reçu par le capteur en fonction de la défocalisation z :

z

V(z)z

L'amortissement de la courbe est causé par l'atténuation progressive en fonction de la défocalisation. Défocalisation (um)

Amplitude



N° Raie

Amplitude

32 64 96 1280

100

50

Pic de réflexion surfacique

Pic VlPic Vt

Pic Vr

N° Raie

Amplitude

Traitement du spectre précédent par FFT :

Définition des 3 vitesses

En théorie …

En pratique …

Généralement la vitesse de Rayleigh arrive à être clairement identifierLes autres …



Aluminium Eprouvettes r Eprouvettes t Global

Nombre d'essais 6 5 11

Vl moyen (m/s) 5751 5196 5499Ecart type 14 33,2 291

Rapport % 0,24 0,64 5,29

Vt moyen (m/s) 3096 3158 3124Ecart type 6,9 21,7 35

Rapport % 0,22 0,69 1,13

Vr moyen (m/s) 2848 2905 2874Ecart type 6,6 20 32

Rapport % 0,23 0,69 1,12

E moyen (GPa) 67,1 65,1 66,2Ecart type 0,2 0,5 1

Rapport % 0,35 0,74 1,7

Aluminium E moyen = 70 GPa

Exemple : test sur aluminum (éprouvette de traction)



Vitesses et impédances acoustiques (valeurs moyennes et arrondies)

Matériau Masse volumique103 kg/m3

Vitesse (OL)m/s

Vitesse (OT)m/s

Imp. Acoust.106 kg.m-2.s-1

Aciers 7,8 5900 3250 46

Fonte 7,2 4600 2150 33

Aluminium 2,7 6300 3100 17

Cuivre 8,9 4700 2550 42

Laiton 8,5 4500 2100 38

Béton 2,5 4500 11

Araldite 1,2 2500 1050 3

Plexiglas 1,2 2700 1100 3,2

Verre 2,5 5650 3400 14

Huile 0,8 1500 1,2

Glycérine 1,3 1900 2,5

Eau 1 1480 1,5

Mercure 13,6 1450 20

Quartz 2,7 5750 15

Titanate de baryum

5,7 4400 35

Air 1,3.10-3 330 4.10-4

≠ Vitesses, matériaux usuels


CONCLUSION : TECHNIQUES ULTRASONORES


Contrôle manuelleRapide peu onéreuxExpériences …Totalement non destructif

Détection de défaut :Soufflure, délamination,Corrosion,

Micro-échographieContrôle automatiséContraignant (petites pièces)OnéreuxChoix des sondes et des plages d’enregistementDestructif ou non

Imagerie :Surface3D, coupeProfilométrie

Interférométrie

Contrôle automatiséTrès contraignant, très onéreuxDestructifInterprétation difficile

Imagerie surfaciquehaute définitionVitesse de RayleighCartographie de propriétésélastiques

Laboratoire

spécialisé

Industrie

Contrôle

qualité

mc42 printemps 2007

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