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TP n°10 - Ondes élastiques dans les solides. Application au contrôle non destructif

Questionnaire de préparation - à rendre en version manuscrite sur une feuille double - développer les réponses, sans dépasser les 4 pages - citer les sources - soigner la présentation.

Chaque participant remettra son travail de préparation au début de la séance et indiquera

les questions restées en suspens. A indiquer sur la feuille : Classe: Groupe : Nom : Date :

But du TP : Brève définition ou description des notions ci-après : - ultra son : - onde longitudinale (ou de compression) : - onde transversale (ou de cisaillement) : - diffraction : - réfraction : - condition pour qu'une onde en propagation dans un milieu, soit réfléchie partiellement : - Paramètres influant sur l'angle de divergence d'une onde : - principe de fonctionnement d'un transducteur piézo-électrique : - célérité d'une onde élastique (différentes situations et relations correspondantes) : - Donner des exemples d'utilisation des ultra sons

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TP N° 10 : Ondes élastiques dans les solides - APPLICATION AU CONTRÔLE NON DESTRUCTIF

1. Introduction & but du TP Les déformations périodiques appliquées à la surface des corps solides se propagent dans le corps sous la forme

d’ondes, qu’on appelle ‘onde élastique’. Ces ondes peuvent être du type ‘longitudinales’ ou ‘transversales’ suivant les conditions d’excitation. Lorsque les fréquences se situent au-delà de la limite audible, soit 20 kHz on les appelle aussi ‘ultra-sons’. Les applications des ultrasons concernent l’instrumentation médicale (échographie) et le contrôle non destructif de pièces mécaniques. Cette dernière application fait l’objet du TP. Le principe de la mesure est le suivant : on envoie un train d’ondes ultrasonores à l’intérieur d’une pièce; aux endroits où l’impédance acoustique du milieu change de façon sensible, en particulier aux interfaces solide-air, il y a réflexion de ces ondes ultrasonores. La mesure du temps qui s’écoule entre l’émission d’un train d’ondes et la réception du train réfléchi permet la localisation de discontinuités (qui peuvent être des défauts) à l’intérieur de pièces ou la mesure d'épaisseur de tôles. Cette technique non destructive est complémentaire de la radiographie par rayons X, inutilisable dans le cas de pièces de forte épaisseur.

2. Matériel utilisé

2.1 Description du matériel • Un emetteur-détecteur d'ultrasons FlawMike. • Un bloc d’étalonnage sous la forme d'une pièce en acier où sont placés des motifs tels que des trous, des

encoches. Son rôle est de permettre une calibration en distance de l'appareil.

• Diverses pièces mécaniques à tester: - piston - soupapes d’échappement bi-métalliques - tôles épaisses avec dédoublures et repliures Ces pièces présentent des défauts dont il faudra déterminer la position.

2.2 Matériel : utilisation & mises en garde

Pour toutes les mesures de ce TP, il est nécessaire d’interposer entre le palpeur et la surface de la pièce à sonder, une mince couche d'un gel de couplage. Ce gel diminue les réflexions qui apparaissent à l’interface palpeur-air.

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3. Déroulement du TP 3.1 - Etalonnage de l'appareil pour sondage de pièces en acier entre 0 et 100 mm d'épaisseur.

La localisation d'un défaut dans une pièce par onde ultrasonore est possible si on indique à l'appareil la vitesse des ondes dans le matériau. Si on ne connait pas la vitesse, on effectue un étalonnage en cherchant un écho d'une surface dont on connait la position.

Utiliser le bloc d'étalonnage pour configurer l'appareil à la recherche de défauts dans une pièce pour laquelle la vitesse est inconnue mais qui dispose d'une surface réfléchissante de position connue (ici le fond du bloc d'étalonnage fourni).

• Mettre en route l'émetteur-détecteur d'ultrasons • Se familiariser avec l'appareil d'émission-détection d'ultrasons en identifiant les différentes commandes (voir notice).

L'appareil est utilisé en mode émission et réception. Les deux signaux transitent par le même canal. Dans certains cas émission et réception peuvent passer par des canaux séparés.

• Vérifier qu'un transducteur (émetteur-récepteur) est connectée à l'appareil. • Placer le bloc d'étalonnage sur le chant (fig. 1). Après avoir vérifié la présence de gel, appliquer le transducteur

en position 1 en le tenant bien à plat . A cet endroit, l'écho se produira sur le fond de la pièce situé à 100 mm de la surface.

• A l'aide des touches orange, régler le gain à approximativement 50 dB. • Afficher la vitesse avec la touche verte VELOCITY et régler la approximativement à 5900 m/s par les fléches

bleues sur fond vert (qui permettent d'ajuster les valeurs des paramètres affichés par les touches vertes ou bleues). • Fixer l'étendue d'affichage (Distan) à 200 mm (appuyer sur la touche verte RANGE pour accéder à ce réglage) ;

on observe 3 pics (fig. 2). Le premier pic est dû à l’émission du signal. Les 2 autres sont des échos successifs de la surface inférieure de l'échantillon. La séparation entre les 2 échos nous permet de mesurer la hauteur de l’échantillon.

• Fixer le début de l'étendue affichée à 0 (appuyer sur la touche verte RANGE ZERO pour accéder à ce réglage). • Faire apparaître deux portes telles que sur la figure 2. Pour cela, appuyer plusieurs fois sur CONFIGURATION

pour accéder au menu aLOGIQU, le régler sur multi. Si on n’observe qu’une seule porte, monter en une avec GATE HEIGHT. Chaque nouvel appui sur GATE HEIGHT (idem GATE ZERO) donne accès au réglage de la porte "a" si l'on avait accès à celui de porte "b" et inversement.

• Appuyer plusieurs fois sur CONFIGURATION pour accéder au menu aTOF, le régler sur flank. Ceci signifie que les mesures de distance sont réalisées par rapport à l'intersection de la porte avec le premier flanc de l'écho qui la traverse (meilleure stabilité que sur un pic).

• Avec GATE ZERO, déplacer la porte "a" (la porte supérieure sur la figure 2) de manière à traverser le premier écho.

• Avec GATE RANGE, régler la largeur de la porte "a" de manière à ce qu'elle soit également traversée par le deuxième écho et soit supérieure à 100 mm.

• Si nécessaire, ajuster l'origine de la porte "b" de manière à ce qu'elle ne coupe pas le premier écho. • Pour prendre des mesures plus justes placer les portes afin qu'elles coupent la partie la plus raide du front

montant. • Régler la célérité, en utilisant la touche verte VELOCITY, pour avoir la distance de 100 mm entre les 2 pics.

La vitesse trouvée est voisine de 5 900 m/s. • Ensuite, il faut régler le zéro en ajustant le premier pic à 100 mm (ou le second à 200 mm selon la précision

souhaitée). Pour cela, n’utiliser qu’une seule fenêtre (appuyer plusieurs fois sur CONFIGURATION pour accéder au menu aLOGIQU à régler sur coincid) et la touche PROBE ZERO.

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(fig1) Bloc d’étalonnage

Vérifier qu'en déplaçant le transducteur sur la surface du bloc, les échos correspondant aux différents défauts et à la surface du fond apparaissent bien.

Penser à refaire l'étalonnage sur chaque nouvelle pièce où vous avez accès à une distance connue sinon reprendre les valeurs de vitesse et de zéro d'une pièce d'un matériau proche dont vous avez déjà fait l'étalonnage.

(fig 2) : Réflectogramme avec sonde en position 1.

Vérification de cet étalonnage: Pour effectuer cette vérification, on utilise la détection des petits trous situés à 50 ou 70 mm de la face d’entrée. • Placer le transducteur au-dessus du premier trou (à environ 70 mm). Observations ? Noter la position du trou

indiquée par l'appareil. • Faire la même opération pour le 2e trou situé à environ 50 mm de la surface. • Appliquer le transducteur aux positions 3, 5 et 6.

◇ Q1: Interpréter l'absence ou la présence d'échos pour ces positions. Que peut-on conclure de ces observations ?

Divergence de l'onde ultrasonore Q2. Sachant que les ondes utilisées ici ont des fréquences voisines de 4 MHz (à 250 kHz près), évaluer le demi angle de

divergence θ des ondes émises (voir formule en annexe). • Vérifier expérimentalement la valeur de θ par déplacement de la sonde autour de la position 1 (à la verticale

du trou à 50 mm). Q3: Commenter sur l'écart entre la valeur trouvée et la valeur théorique.

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4.2 Parcours multiples

• Appliquer le transducteur sur la face latérale du bloc (perpendiculairement au plan de la figure). On obtient 4 échos successifs correspondant à 4 aller-retours du faisceau. L’énergie détectée par le transducteur

diminue après chaque aller-retour. Observer que sur la partie amincie du bloc, on obtient 5 échos. Vérifier l'équidistance des échos à l'aide des curseurs.

◇ Q4: Évaluer la fraction de puissance de l'onde qui ne revient pas sur le détecteur d’un aller-retour à l’autre. Quels sont les phénomènes physiques à l'origine de cette diminution ?

4.2.1 Parcours multiples avec changement dans la nature de l’onde

L'onde acoustique produite par le capteur est divergente, elle se réfléchit donc sur les parois latérales de l'échantillon. Ces réflexions sont la cause d’une excitation d’ondes de cisaillement (et donc de nature transverse) comme illustré sur la figure 3..

En G, par exemple, une partie de l’onde continue en vibration longitudinale (parcours GLM), l’autre en vibration transversale (trajet GH).

En H : le phénomène se répète. On obtient alors un réflectogramme semblable à celui de la figure 4. • Placer la sonde en position 1 sans viser de trou. • Fixer Distan à 250 mm

◇ Q5: Pourquoi peut-on s’attendre aux échos E1 et E2 ?

• A l'aide des distances mesurées, calculer les durées des trajets aller-retour pour chacun des échos observés entre E1 et E2 (notés «b» et «c» sur la figure 4)

(fig.3) Réflexion avec changement de la nature de l’onde. Le trait fin correspond à une onde

longitudinale, le trait épais à une onde transversale.

(fig.4) : Réflectogramme avec excitation d’ondes transversales.

4.3 Détection de défauts réels E1 FGLM FGHPQ FGHKL’M’

E2

a

b c

INSA de Strasbourg PLF Physique et Vibrations TP n°10 - page 7 4.3.1 Fissure de fatigue sur crosse de piston en Dural

• Palper à partir de la face supérieure. Réaliser le calibrage (vitesse et zéro) dans l'épaisseur perpendiculaire à la face marquée par les '2'. Mettre ensuite en évidence la fissure radiale, d’ailleurs visible à l’oeil nu. Commentaires.

4.3.2 Soupapes d’échappement bi-métalliques La tête de soupape est en acier inoxydable réfractaire, la tige en acier inoxydable martensique.

◇ Q7: Imaginer une procédure de contrôle pour trouver les soupapes défectueuses. Commentaires 4.3.3 Dédoublures et repliures sur tôles épaisses

Ces défauts sont visibles à l’oeil nu. Imaginer et exécuter une procédure de contrôle. ◇ Q8: a) par écho simple, quelle serait l’épaisseur de tôle la plus faible contrôlable? Justifier votre réponse

b) Même question par échos multiples. 4.3.4 Mesure d’épaisseurs sur pièces accessibles d’un seul coté

Exemple: grosse pièce cylindrique de diamètre 27 cm. NE PAS RETOURNER !

◇ Q9: Relever le profil radial de la face inférieure, supposée inaccessible. Commentaires. • Mettre l'appareil hors tension en retirant la fiche secteur pour éviter que le transformateur ne soit alimenté en

permanence • Nettoyer pièces et transducteur.

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1 - Principe de fonctionnement du mini-radar à ultrasons. Un radar permet d’accéder à la distance séparant une antenne d’un obstacle par la mesure du temps de vol d’un

train d’ondes. D’abord, l’antenne fonctionne en émetteur et envoie un train d’ondes (pour le radar, ces sont des ondes électromagnétiques hyperfréquences). Ensuite, l’antenne est commutée en réception; si un obstacle est présent dans la direction du faisceau incident, il va réfléchir une fraction de l’onde, laquelle sera captée par l’antenne. Une électronique mesure alors le temps qui s’est écoulé entre l’émission et la réception du train d’ondes. Connaissant la vitesse de propagation de ces ondes dans le milieu, on remonte ensuite directement à la distance antenne-obstacle.

Ici dans le mini-radar, on utilise des ondes ultrasonores de fréquence situées voisines de 4 MHz. Le principe est

le même que le radar. Un palpeur joue le rôle de l’antenne pour l’émission et la réception d’un train d’ondes acoustiques. Le schéma de principe de l’appareil est représenté à la figure A1.

Chaque train d’impulsions déclenche le balayage horizontal et apparaît en déviation verticale sur la gauche de

l’écran (point A). Le palpeur envoie un train d’ondes ultrasonores dans la pièce. Ce train d’ondes est réfléchi par les différentes interfaces rencontrées normalement (défaut B’ contour C’). Il revient vers le palpeur et y provoque une oscillation mécanique transformée en oscillation électrique. Cette dernière, amplifiée, provoque les déviations verticales en B et C. Si le balayage s’effectue à vitesse constante, nous avons:

A 'B 'A 'C '

= ABAC

ce qui permet d’évaluer A’B’ et de localiser le défaut.

(fig.A1) : Schéma de principe de l'émetteur-détecteur d'ultrasons.

2. Emetteurs et récepteurs d’ultrasons Dans le présent TP , ils portent le nom de

“Palpeurs”. Le même transducteur sert d’émetteur (pendant quelques microsecondes) puis de récepteur (pendant quelques millisecondes).

Il existe des palpeurs droits envoyant des ondes de compression perpendiculairement à leur face de sortie, et des palpeurs obliques envoyant des ondes de cisaillement, obliquement (45° en général) par rapport à leur face de sortie.

3. Schéma et principe d’un “palpeur droit” La partie essentielle est le cristal piézo-électrique en Titanate de baryum. - Pour un tel cristal, la variation Δe d’épaisseur du cristal est égale à Δe= kV V la tension électrique appliquée entre les armatures métalliques. Quand le cristal est excité par une tension électrique, il fonctionne comme émetteur. Quand il est excité par une

vibration mécanique, il fonctionne comme capteur. Le rendement d’un tel transducteur est amélioré quand il fonctionne à la fréquence propre du cristal . Un amortisseur absorbe l’onde arrière. Le schéma de principe du palpeur est représenté sur la figure A2.

TP n°10 : ULTRASONS - Annexes

Générateur 1 à 5 MHz base de

temps

Ampli émission

Ampli réception

palpeur A’

C’

B’ (défaut)

déviation horizontale

déviation verticale

écho sur B’

écho sur le fond

A B C

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(fig. A2): Palpeur droit

4. Types d’ondes mécaniques dans un solide .

4.1 - Ondes longitudinales (ou de compression) - Les oscillations s’effectuent parallèlement à la direction de propagation.

- fig A3 : Ondes longitudinales

- Si le palpeur est suffisamment grand pour exciter toute la “base” ( B x B ), alors la célérité est :

cL =Eρ

(1.A)

E module d’Young, ρ masse volumique

sinon : cL =Eρ

1−ν1+ν( ) 1− 2ν( ) (2.A)

ν coefficient de Poisson (≈ 0,3 pour les métaux). Pour l’acier, nous avons cL=5800 m/s

4.2 - Ondes transversales (ou de cisaillement) Les oscillations s’effectuent perpendiculairement à la direction de propagation.

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(fig. A4): Réflexion, transmission avec dédoublement de mode.

fig A 5 - Ondes transversales

La célérité est :

cT =Gρ

(3.A)

oùG= E2 1+ν( ) est le module de Coulomb (4.A)

Pour l’acier, nous avons CT = 3200 m/s.

4.3 Ondes de surface

Elles suivent la surface et affectent une profondeur comparable à λ. Leur célérité est environ 0,9 fois celle des ondes transversales .

◇ Remarque: ces mêmes ondes existent jusque dans le domaine des tremblements de terre (ondes sismiques). C’est notre seule source de connaissance sur l’intérieur du globe terrestre. Les ondes sismiques artificielles sont également utilisées en prospection pétrolière.

5 - Directivité du faisceau émis C’est une conséquence immédiate de la diffraction. L’émetteur est en général un disque de diamètre D égal à

environ 1 cm. La théorie de la diffraction nous apprend qu'une onde émise par une surface circulaire de diamètre D se propage en remplissant un cône dont le demi-angle au sommet θ est donné par

sin θ( )=KdiffλD

(5.A)

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Le coefficient de diffraction KDiff dépend du profil exact de l'onde. Pour une onde plane se diffractant à travers une ouverture de diamètre D, ce coefficient est égal à 1,22. 90% environ de l'énergie de l'onde est alors contenue dans ce lobe central, le reste de l'énergie transmise est contenu dans des anneaux de plus grand diamètre angulaire.

(fig. A6): Divergence du faisceau

Pour obtenir une bonne directivité, il faudrait avoir θ et D petits. Ceci est contradictoire à moins d’augmenter la

fréquence f. En fait, on est limité par des phénomènes d’absorption de l’énergie qui augmentent au- delà de 10 MHz. 6. Transmission et réflexion aux interfaces En incidence normale (ondes longitudinales), le coefficient de réflexion R en intensité pour une onde se

propageant du milieu 1 vers le milieu 2 s’exprime par (Cf figure A7):

R= IRII= ρ1c1−ρ2c2

ρ1c1+ρ2c2

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

2

(6.A)

avec ρ masse volumique du milieu considéré (1 ou 2) c célérité des ondes longitudinales dans le milieu (1 ou 2)

(fig. A7): Réflexion, transmission

Ainsi, à chaque interface constituée par des matériaux pour lesquels le produit ρ.c n’est pas conservé, une

fraction de l’intensité acoustique incidente est réfléchie et pourra ainsi être détectée. Au passage d’un solide à l’air (par exemple une fissure, une soufflure ou la surface de la pièce), nous avons

ρ2c2≪ρ1c1 , et le coefficient de réflexion en intensité est alors égal à 1. En incidence oblique, il y a dédoublement de l’onde incidente en deux rayons réfléchis et deux rayons réfractés,

l’un vibrant longitudinalement (cL) et l’autre transversalement (cT) . Les angles se calculent à l’aide de la relation de Descartes:

sin α i( )ci

=Const. (7.A)