Les ondes ultrasonoresLes ondes ultrasonores

CT04CT04

INTRODUCTIONINTRODUCTIONI – IntroductionI – Introduction

•Méthode de contrôle qui consiste à transmettre des impulsions acoustiques de haute fréquence (les ultrasons) dans un matériau.

•Ces ondes se propagent dans le matériau suivant différents modes de propagation.

•La présence d'une discontinuité, sous le trajet les ultrasons, provoque la réflexion partielle des impulsions.

•Le signal réfléchi est recueilli par un transducteur ultrasonore.

INTRODUCTIONINTRODUCTIONI – IntroductionI – Introduction

•Il s ’agit d ’ondes mécaniques, donc induisant un déplacement de matière, dans un matériau fluide ou solide

•On envoie l’onde : ce n ’est pas un phénomène d’émission acoustique qui, lui, est passif.

•On manipulera plutôt des faisceaux que des ondes illimitées dans l ’espace (ondes planes) ainsi que des ondes impulsionnelles plutôt que des ondes monochromatiques

II – Les types d’ondesII – Les types d’ondes

Dans les milieux solides, on considère la propagation d’ondes suivants différents types de critères :

polarisation

domaine d'application

milieux d'existence

II – Les types d’ondes 1) PolarisationII – Les types d’ondes 1) Polarisation

Une caractéristique fondamentale est la direction de vibration : la Polarisation

Longitudinales (fluides, solides)Transversales (solides)

Quasi L ou T (milieux anisotropes)

II – Les types d’ondes 1) PolarisationII – Les types d’ondes 1) Polarisation

Dans les fluides : une seule polarisation possible : OL

II – Les types d’ondes 1) PolarisationII – Les types d’ondes 1) Polarisation

Dans les solides isotropes : deux polarisations possibles : OL et OT

II – Les types d’ondes 2) Quantités en jeuII – Les types d’ondes 2) Quantités en jeu

Les fréquences utilisées en Ultrasons vont du kilohertz kHz (103) au gigahertz GHz (109)

Domaines :

20kHz 500kHz : sifflets US, nettoyeurs

500kHz 100MHz : CND par US

100MHz 10GHz : microscopie US

5MHz 100MHz 2GHz

eau 0.3mm 15µm 0.75µm

acier 1.2mm 60µm 3µm

II – Les types d’ondes 2) Quantités en jeuII – Les types d’ondes 2) Quantités en jeu

Les longueurs d’onde restent limitée à des valeurs très faibles

Valeurs à prendre en considération lors de la détection de défauts

II – Les types d’ondes 2) Quantités en jeuII – Les types d’ondes 2) Quantités en jeu

Plusieurs paramètres relatifs à l’onde sont d’un grand interêt :

•déplacement de matière (=> trajectoires ??)

•déformation du milieu

•contraintes (~Pa)

ces quantités sont :•saclaires•vectorielles•tensorielles

II – Les types d’ondes 3) Domaines d’existenceII – Les types d’ondes 3) Domaines d’existence

On distingue les ondes de Volume (OL, OT…..)

Onde Longitudinale : déplacement

rectiligne parallèle à la direction de propagation

))(()(

σ−σ+ρσ−=

ρ=

2111ECV 11

L

II – Les types d’ondes 3) Domaines d’existenceII – Les types d’ondes 3) Domaines d’existence

On distingue les ondes de Volume (OL, OT…..)

Onde Transversale : déplacement

rectiligne perpendiculaire à la

direction de propagation

)( σ+ρ=

ρ=

12ECV 44

T

II – Les types d’ondes 3) Domaines d’existenceII – Les types d’ondes 3) Domaines d’existence

…..des ondes de Surface (Rayleigh, Lamb…..)

Onde de Rayleigh : déplacement

elliptique parallèle à la direction de propagation

σ+σ+≈

1121870VV TR..

II – Les types d’ondes 3) Domaines d’existenceII – Les types d’ondes 3) Domaines d’existence

…..des ondes de Surface (Rayleigh, Lamb…..)

σ+σ+≈

1121870VV TR..

II – Les types d’ondes 3) Domaines d’existenceII – Les types d’ondes 3) Domaines d’existence

Autre présentations : ondes sismiques

III – Les surfaces des lenteurs 1) fluidesIII – Les surfaces des lenteurs 1) fluides

Dans les fluides, les surfaces des

lenteurs sont des sphères

==> des cercles dans le plan d’incidence

III – Les surfaces des lenteurs 2) solides isoIII – Les surfaces des lenteurs 2) solides iso

Dans les solides isotropes, les surfaces des lenteurs sont (aussi) des

sphères ==> des cercles dans le plan d’incidence

III – Les surfaces des lenteurs 2) solides anisoIII – Les surfaces des lenteurs 2) solides aniso

Dans les solides anisotropes, les

surfaces des lenteurs sont complexes

==> dans le plan d’incidence également

III – Les surfaces des lenteurs 2) solides anisoIII – Les surfaces des lenteurs 2) solides aniso

Dans les solides anisotropes, les

surfaces des lenteurs sont complexes

==> dans le plan d’incidence également

III – Les surfaces des lenteurs 2) solides anisoIII – Les surfaces des lenteurs 2) solides aniso

Problèmes d’interfaces plus

complexes

IV – Spécificités du contrôle par USIV – Spécificités du contrôle par US

Plusieurs caractéristiques sont à prendre en compte lors d’un contrôle de CND

•couplage mécanique de la sonde avec la pièce à contrôler

•conversion de modes éventuels aux interfaces

•atténuation du milieu à considérer

•diffraction du faisceau d’US

•diffusion des ondes dans le matériau

IV – Spécificités CND US 1) couplantIV – Spécificités CND US 1) couplant

Les Ultrasons ne se propagent pas dans l’air ==> nécéssité d’un couplant entre la sonde et la pièce à

contrôler

Contrôle en immersion : eau

IV – Spécificités CND US 1) couplantIV – Spécificités CND US 1) couplant

Les Ultrasons ne se propagent pas dans l’air ==> nécéssité d’un couplant entre la sonde et la pièce à

contrôler

Contrôle en immersion : eau

Contrôle par contact : adhésion avec la pièce

IV – Spécificités 2) conversion de modes IV – Spécificités 2) conversion de modes

Lors d’un phénomène de réflexion/transmission, il peut apparaître des conversions de modes :

OL ==> OTou inversement

IV – Spécificités 3) atténuationIV – Spécificités 3) atténuation

Au cours de sa propagation, le signal est, en général, soumis à une atténuation de son amplitude

sur une distance d, l'amplitude diminue d'un facteur b :a1=ba0

Si l'épaisseur double : a2=ba1=b2a0

on a une progression géométrique de l'amplitude==> donc une loi exponentielle :pour une épaisseur xd : a(x)=bxa0

comme bx=exp(xLn(b))=10xlog(b)

==> a(x)=a0exp(xLn(b))

IV – Spécificités 3) atténuationIV – Spécificités 3) atténuation

Au cours de sa propagation, le signal est, en général, soumis à une atténuation de son amplitude

En général, on exprimera souvent l'atténuation par des coefficients dépendant de b :

α = - Ln(b) ou β = -20 log(b)

==> a(x) = a0 e-αx = a0 10-(β/20)x

α s'exprime en N/m ou N/cm et β en dB/m ou dB/cm

IV – Spécificités 3) atténuationIV – Spécificités 3) atténuation

Au cours de sa propagation, le signal est, en général, soumis à une atténuation de son amplitude

On aura donc :

αx = Ln(a0/a(x)) et βx= 20 log(a0/a(x))

β (en dB) = 8.68 α (en N)

IV – Spécificités 3) atténuationIV – Spécificités 3) atténuation

Quelques valeurs d'attuénation caractéristiques pour les ondes longitudinales (en dB/m) :

acier 5 à 50aluminium 1 à 5eau 1fonte 20 à 200laiton 50 à 200plexiglass 500