MC42 Printemps 2007 Contrôles Ultrasonores Le son Echographie industrielle Micro-échographie Propriétés élastiques des matériaux Micro-interférométrie acoustique

On distingue trois catégories d'onde acoustique : LE SON Son : onde vibratoire qui a besoin d'un milieu matériel pour se propager. On distingue trois catégories d'onde acoustique : 16 Hz 20 kHz Les infrasons La zone audible Les ultrasons Contrôle US : + 1 MHz Amplitude (mV) Caractéristiques principales des ondes acoustiques Temps (ms, s ou ns) Fréquence de l’onde en Hertz (Hz) : 1/T ,avec T en seconde) Longueur d’onde (en m)  : Vitesse de l’onde / fréquence Période T

Système parfait, existence seulement en mode entretenu LE SON Oscillations pures : Système parfait, existence seulement en mode entretenu Oscillations amorties : I =I0.exp(-x) Réalité des ondes utilisées en acoustique Principe de train d’ondes Train d’onde Salve Burst 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

LE SON 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 … 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.

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 Type d’onde le plus utilisé, le plus facile à générer Présence dans les solides, les liquides, les gaz Transversale Type d’onde peu usité directement Présence uniquement dans les solides

Présence uniquement dans les solides LE SON Surface : Rayleigh Type d’onde peu usité Présence uniquement dans les solides Phénomène de surface (disparition sous ) Si l'épaisseur du matériau est de l'ordre de , des ondes de plaque dites de Lamb apparaissent. Lamb Symétrique Asymétrique Type d’onde très peu usité : longueur d’onde

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 !) Vr < Vt < Vl Vitesse des ondes de Rayleigh Vitesse des ondes transversales Vitesse des ondes longitudinales < < Quel que soit le mode, la fréquence de l’onde est dépendante : - de la source émettrice uniquement 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 …

(Adaptation d’impédance) LE SON Génération et détections des ondes ultrasonores : l’élément piézo-électrique Pastille piézo-électrique Boitier Face de protection (épaisseur en /4) Bloc amortisseur Bobine d’accord (Adaptation d’impédance) Capteur: transducteur 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

Les techniques acoustiques LE SON Les techniques acoustiques Echographie Détection de défauts : Phénomène de réflexion et transmission d’onde au passage d’une interface Recherche manuelle de défaut Ex: pipeline, cordon de soudure Micro-échographie Imagerie Scanning 3D de pièces Profilométrie Interférométrie acoustique Visualisation de surface, propriétés élastiques : Utilisation des propriétés des ondes de surface, phénomène d’interférence

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

LE SON Phénomène de réflexion et transmission en incidence normale 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 . 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 Les différences d’impédance acoustique sont à l’origine de la détection des défauts dans les pièces industrielles.

LE SON Phénomène de réflexion et transmission en incidence normale Définition du coefficient de réflexion (il s'exprime en général en pourcentage de l'onde incidente) : Coef. de transmission : T = 1-R Onde en incidence normale Milieu 1 Réflexion d’une partie de l’onde Milieu 2 Transmission d’une partie de l’onde 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

Avec  : coefficient d'atténuation et x : l'épaisseur traversée. LE SON Etalement du faisceau, zone de Fresnel, atténuation Zone de Fresnel Zone de Fresnel, inexploitable : avec D le diamètre de la source   1,22   D Etalement et divergence du faisceau Perte progressive d’amplitude du signal 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 Phénomène de réflexion et transmission en incidence oblique Tout comme la lumière : Les ondes ultra sonores diffractent également en incidence oblique : Loi de Descartes (appliquée à l’acoustique) : Milieu 1 Milieu 2

Disparition d’onde longitudinale réfractée LE SON OT réfractée OL réfractée OT réfléchie OL réfléchie OL incidente Milieu 1 Milieu 2 IL RL RT rT rL RL = IL OT réfléchie OL incidente RT IL OL réfléchie RL RL = IL Milieu 1 Milieu 2 OT réfractée rT 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. Différents cas de figure : L T Solide 1 Solide 2 T L Solide 1 Solide 2 L T Solide Liquide T L Solide Liquide L T Liquide Solide Attention : pas d’onde transversale dans les liquides, pas d’US dans l’air (aux fréquences utilisées en contrôle industriel)

Notion d’angles critiques : LE SON Notion d’angles critiques : Augmentation de l’angle d’incidence L T Liquide Solide L L L L Liquide Solide Liquide Solide L T T Disparition des OL Angle critique OL Disparition des OT Angle critique OT Descartes : Passage eau /acier : Ondes longitudinales (vitesse en m/s) Ondes transversales Angles critiques Eau 1480 - 14,3° (OL) Acier 5980 3220 27,4° (OT)

Echographie industrielle Définition des angles d’attaque optimum : Cale en ½ lune : 2 trajets d’onde Impossible de localiser le défaut Onde de surface Imagerie surfacique Un seul trajet d’onde Transmission maxi Angle d’attaque retenu 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 Sabot classiques Sabot conçu pour 1 type de matériau Emetteur / récepteur OL Onde à 45° dans le matériau Circulation onde transversale Sabots spécifiques Adaptés aux configurations de la pièce Mesure de temps de vol Recherche de pic à l’oscilloscope Attaque droite capteurs OL ou OT (Emetteur / récepteur) Mesure d’épaisseur de tube, de plaque Recherche de corrosion interne …

Echographie industrielle 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 Exemple : cordon de soudure OL OT Réflexion complète Mouvement du capteur Echo défaut visible Soudure OL OT OL OT La visualisation du défaut = pics sur l’oscilloscope Echo défaut non visible Difficultés d’interprétations : Estimation distance Pic marqué Le déplacement en X donne une idée de la hauteur de la fissure Le déplacement latéral donne une idée de la longueur de la fissure Sensibilité angulaire très marquée Pics très diffus (« forêt de pics) Faibles amplitudes Forte sensibilité aux déplacements

Echographie industrielle Conclusions sur l’échographie industrielle Méthode simple et rapide Méthode peu onéreuse Matériel portatif Utilisation 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 … 2.25 Mhz Sabot (OL) 2.25 Mhz OT 2.25 Mhz OL 5 Mhz OL Sabot pour acier OT à 45°, 60°, 70° Oscilloscope de terrain Lecture directe distance après étalonnage Réglage Amplitude Réglage Base temps

Microéchographie acoustique Image subsurfacique (scanning) Image 3D Microéchographie acoustique 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 Scanning 2D ou 3D Utilisation de sonde focalisée : - ponctuel (calotte sphérique) - linéique (calotte cylindrique) Recherche d’axe d’orthotropie (matériaux composite à base de fibres)

- immersion complète des pièces - coût des équipements + élevés Micro-échographie La micro-échographie est sensiblement plus difficile à mettre en place : - immersion complète des pièces - coût des équipements + élevés Tables de déplacement (resol. 1um) h Liquide de couplage Transducteur focalisé z (résol. : 1um) y x 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

Eau déminéralisée (eau bouillie, suffisant) + agents anti-oxydants 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 déminéralisée Les meilleurs performances sont obtenues avec des fluides cryogéniques (prix, emploi, sécurité … ?) Eau déminéralisée (eau bouillie, suffisant) + agents anti-oxydants

Atténuation croît avec le carré de la fréquence du signal Micro-échographie Fréquence de la sonde : compromis entre atténuation du signal et résolution Atténuation : 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 Avec :  : la pulsation de l'onde (2f) c : la vitesse de propagation  : la masse volumique du milieu p : la viscosité massique du milieu s : la viscosité dynamique du milieu k : le coefficient de conductivité thermique du milieu Cp : la chaleur spécifique du milieu, à pression constante  : le rapport des chaleurs spécifiques à pression et volume constant Atténuation croît avec le carré de la fréquence du signal 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)

Résolution longitudinale : Résolution transversale : Micro-échographie Résolution : Résolution longitudinale : ≈ résolution dans l’épaisseur Résolution transversale : ≈ résolution « surfacique » Profondeur de champ : Critère de Rayleigh : Avec : 0 : Longueur d’onde dans le liquide de couplage  : Longueur d’onde dans le matériau étudié 0 : ½ angle d’ouverture de la lentille 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 Plus la sonde est focalisée plus on privilégie la concentration d’énergie ponctuellement (meilleure profondeur de champ au détriment de la résolution transversale) 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) Etat de surface Plus la surface est homogène, plus la rugosité est faible, meilleurs sont les phénomènes de réflexion et de transmission (réduction de la diffusion parasite)

Tâche focale (volume affecté) Micro-échographie Distance focale O F Milieu 1 Milieu 2 R 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

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 … Ligne à retard Sonde fortement focalisée 50 Mhz -100 Mhz 10 – 25 Mhz Sonde faiblement focalisée

Tout commence par l’échogramme … le spectre complet 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 A2max 1 2 3 y x 1 2 3 Problème : à l’oscilloscope seule une petite partie du spectre est visible Réglages possibles à l’oscilloscope : - Amplitude en mV - Base de temps (ms ou us) - Déplacement de la zone d’acquisition dans le temps 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)

Exploitation de l’échogramme Micro-échographie Exploitation de l’échogramme Temps (ms ou us) Amplitude (mV) Pulse Echo de lentille Surface échantillon Fond échantillon 2ème écho de fond t1 t2 t3 t4 A1max A2max 1 2 3 A B C D A : aucun intérêt B : profilométrie, image de surface C : visualisation de défauts sous la surface (image 3D), mesure de vitesse D : mesure du coefficient d’atténuation : Avec e : épaisseur Les zones C et D sont les plus utilisées en microéchographie

Construction d’une image de surface 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) Amplitude (mV) Echo de lentille Surface échantillon Fond échantillon 2ème écho de fond Pulse 1 2 Temps (ms ou us) t1 t2 t3 t4 Acquisition de l’amplitude du signal à chaque point de mesure Constitution d’une matrice de valeurs de tension Chaque Valeur traduit une valeur de réflectivité correspondant au matériau

Recherche de mini et maxi : - Valeur maxi = blanc - Valeur mini = noir Micro-échographie Traitement et image Tableau 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 …) 125 150 … 110 135 95 120 1 point de mesure = 1 pixel … Images en niveaux de gris 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

Construction d’une image sous la surface (interface) 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) Amplitude (mV) Echo de lentille Surface échantillon Interface Echo de fond Pulse 1 2 3 Temps (ms ou us) t1 t2 t3 t4 * Acquisition de l’amplitude du signal à chaque point de mesure * Constitution d’une matrice de valeurs de tension, puis constitution de l’image Sonde Substrat Dépôt

Construction d’une image profilométrique de la surface 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) Pulse Echo de lentille Surface échantillon Temps enregistré 1 2 3 Profil de surface 3D * 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

Construction d’une image 3D dans la pièce Micro-échographie Construction d’une image 3D dans la pièce 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 n Traversé du matériau - 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

Isolation écho de lentille / écho de surface Micro-échographie Exemples détaillés Profilométrie Isolation écho de lentille / écho de surface Calibration Vitesse onde dans liquide de couplage Relevé de temps de vol Cartographie 3D profil (résolution dépendant de la fréquence et de l’état de surface) Profil scanné : 2,5cm x 2,5cm, pas 250 microns Etude d’une matrice polymère fibrée (4000um x 4000um par pas de 40um) Fibres 17um Sonde : 25 Mhz Fibres 5um Sonde : 25 Mhz Fibres 5um Sonde : 50 Mhz

Relation entre les ondes ultrasonores et les propriétés élastiques Propriétés élastiques des matériaux Relation entre les ondes ultrasonores et les propriétés élastiques des 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 : (en m/s) Avec E : module d'Young (Pa) ;  : masse volumique (kg/m3) ;  : coefficient de poisson

Propriétés élastiques des matériaux Dans un milieu considéré comme isotrope, on peut déduire des vitesses les caractéristiques mécaniques essentielles : 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 :  6 solutions potentielles avec comme hypothèse VR ≈ 0.9VT Solution simplifié (formulation dite de Viktorov) :

Propriétés élastiques des matériaux 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. OL OT Epaisseur Connue e Pulse Echo de Fond 1 Fond 2 Fond 3 Fond 4 Temps pour 6 e Mesure de VL et VT Mesure de VR ? Micro-interférométrie Acoustique

Micro-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...). Partie électronique Tables de déplacement (résol. 0.1um) Transducteur

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 fonctionnement Transducteur 600 Mhz 2 cm Fréquence de quelques dizaines de Mhz à plusieurs Ghz (matériau poreux).

Micro-interférométrie 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 …) Exemple : Alliage cuivre / argent cristallisé (1mm x 0,7 mm, pas 1um)

Micro-interférométrie Image optique : porosité de 2,52%. Image acoustique : porosité de 2,63 %. •l'analyse quantitative des propriétés des matériaux (module d'Young, coefficient de Poisson, module transversal de cisaillement) : Théorie du contraste ou V(z) Principe : interférence entre 2 chemins d’onde principaux Le 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 Les ondes de surface sont générées avec une incidence égale à l'angle critique qr spécifique à chaque matériau: 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. 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 : Amplitude Représentation de la valeur crête du signal reçu par le capteur en fonction de la défocalisation z : L'amortissement de la courbe est causé par l'atténuation progressive en fonction de la défocalisation. Défocalisation (um)

Micro-interférométrie Traitement du spectre précédent par FFT : N° Raie Amplitude 32 64 96 128 100 50 Pic de réflexion surfacique Pic Vl Pic Vt Pic Vr Définition des 3 vitesses En théorie … N° Raie Amplitude En pratique … Généralement la vitesse de Rayleigh arrive à être clairement identifier Les autres …

Micro-interférométrie Exemple : test sur aluminum (éprouvette de traction) Aluminium Eprouvettes r Eprouvettes t Global Nombre d'essais 6 5 11 Vl moyen (m/s) 5751 5196 5499 Ecart type 14 33,2 291 Rapport % 0,24 0,64 5,29 Vt moyen (m/s) 3096 3158 3124 6,9 21,7 35 0,22 0,69 1,13 Vr moyen (m/s) 2848 2905 2874 6,6 20 32 0,23 1,12 E moyen (GPa) 67,1 65,1 66,2 0,2 0,5 1 0,35 0,74 1,7 Aluminium E moyen = 70 GPa

Vitesses et impédances acoustiques (valeurs moyennes et arrondies) Matériau Masse volumique 103 kg/m3 Vitesse (OL) m/s Vitesse (OT) 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 11 Araldite 1,2 2500 1050 3 Plexiglas 2700 1100 3,2 Verre 5650 3400 14 Huile 0,8 1500 Glycérine 1,3 1900 Eau 1 1480 1,5 Mercure 13,6 1450 20 Quartz 5750 15 Titanate de baryum 5,7 4400 35 Air 1,3.10-3 330 4.10-4 ≠ Vitesses, matériaux usuels

CONCLUSION : TECHNIQUES ULTRASONORES Echographie industrielle Contrôle manuelle Rapide peu onéreux Expériences … Totalement non destructif Détection de défaut : Soufflure, délamination, Corrosion, Industrie Micro-échographie Contrôle automatisé Contraignant (petites pièces) Onéreux Choix des sondes et des plages d’enregistement Destructif ou non Contrôle qualité Imagerie : Surface 3D, coupe Profilométrie Interférométrie Imagerie surfacique haute définition Vitesse de Rayleigh Cartographie de propriétés élastiques Contrôle automatisé Très contraignant, très onéreux Destructif Interprétation difficile Laboratoire spécialisé