1MC42 – Acoustique – P07
MC42Printemps 2007
Contrôles Ultrasonores
Le son Echographie industrielle Micro-échographie Propriétés élastiques des matériaux Micro-interférométrie acoustique
2MC42 – Acoustique – P07
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
3MC42 – Acoustique – P07
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
4MC42 – Acoustique – P07
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
5MC42 – Acoustique – P07
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
6MC42 – Acoustique – P07
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
7MC42 – Acoustique – P07
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
8MC42 – Acoustique – P07
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
9MC42 – Acoustique – P07
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
10MC42 – Acoustique – P07
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
11MC42 – Acoustique – P07
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
12MC42 – Acoustique – P07
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
13MC42 – Acoustique – P07
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
15MC42 – Acoustique – P07
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
16MC42 – Acoustique – P07
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
17MC42 – Acoustique – P07
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
18MC42 – Acoustique – P07
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
Echographie industrielle
19MC42 – Acoustique – P07
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
Echographie industrielle
20MC42 – Acoustique – P07
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
Echographie industrielle
21MC42 – Acoustique – P07
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
Echographie industrielle
22MC42 – Acoustique – P07
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
23MC42 – Acoustique – P07
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
24MC42 – Acoustique – P07
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
25MC42 – Acoustique – P07
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
26MC42 – Acoustique – P07
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
27MC42 – Acoustique – P07
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
28MC42 – Acoustique – P07
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
29MC42 – Acoustique – P07
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
30MC42 – Acoustique – P07
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
31MC42 – Acoustique – P07
Temps (ms ou us)
Amplitude (mV)
Pulse Echo de lentille
Surface échantillon
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
32MC42 – Acoustique – P07
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
Surface échantillon
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
33MC42 – Acoustique – P07
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
34MC42 – Acoustique – P07
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)
PulseEcho de lentille
Surface échantillon
Interface Echo de fond
t1 t2 t3 t4
1 2 3
Dépôt
Substrat
Sonde
Micro-échographie
35MC42 – Acoustique – P07
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)
PulseEcho de lentille
Surface échantillon
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
36MC42 – Acoustique – P07
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
37MC42 – Acoustique – P07
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
Fibres 5umSonde : 25 Mhz
Fibres 5umSonde : 50 Mhz
Micro-échographie
38MC42 – Acoustique – P07
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
39MC42 – Acoustique – P07
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
Propriétés élastiques des matériaux
40MC42 – Acoustique – P07
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
Propriétés élastiques des matériaux
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
42MC42 – Acoustique – P07
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).
Micro-interférométrie
43MC42 – Acoustique – P07
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
Micro-interférométrie
44MC42 – Acoustique – P07
•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
Micro-interférométrie
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
Micro-interférométrie
46MC42 – Acoustique – P07
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 …
Micro-interférométrie
47MC42 – Acoustique – P07
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)
Micro-interférométrie
48MC42 – Acoustique – P07
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
49MC42 – Acoustique – P07
CONCLUSION : TECHNIQUES ULTRASONORES
Echographie industrielle
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