FR2633139A1 - Transducteur de signaux d'emission acoustique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un transducteur de signaux d'émission acoustique qui comporte un boîtier ayant un orifice à sa partie inférieure, un protecteur en un matériau acoustiquement transparent agencé à la partie inférieure du boîtier et servant de pièce de contact du transducteur ainsi qu'un élément piézo-électrique cylindrique, polarisé le long de son axe et monté, par sa base, sur le protecteur. Selon l'invention, il est doté d'un élément amortisseur 7 ayant la forme d'un corps de révolution, disposé coaxialement à l'élément piézo-électrique 4 et acoustiquement couplé au boîtier 1 et au protecteur 3. L'invention s'applique notamment aux mesures non destructives.
Description
La présente invention concerne le domaine du contrôle non destructif des matériaux et des produits, réalisés en métaux et en alliages, notamment par l'enregistre- ment de signaux d'émission acoustique, et se rapporte aux dispositifs utilisés pour la réception des signaux mécaniques en vue de les convertir en signaux électriques.
La présente invention s'applique å des appareils de contrôle et de mesure en vue de mettre en évidence les défauts du type non continu (tels que des fissures en développement Gens la masse du matériau) et de pouvoir évaluer,la cinétique de ces défauts dans les éléments de structures et d'ouvrages lors de leurs essais et de leur ex ploitation. Notamment, la présente invention peut être utilisée pour le diagnostic de la résistance mécanique de vases travaillant'sous pres'sion (chaudières à vapeur dans les centrales thermiques, gazomètres, réacteurs nucléaires), des ponts, des coques de navires, des piles de plates-formes fixes au loin des côtes etc.
I1 est notoire que les exigences essentielles concernant les transducteurs de sign-aux d'émission acoustique sont : la haute sensibilité dans une gamme de fréquences choisie, la stabilité des propriétés et l'allure de la caractéristique amplitude-fréquence ainsi -que la forme circulaire du diagramme directionnel dans la plage de fréquences choisie.De nos jours, on connaît un grand nombre de méthodes de transformation des mouvementsoscil- latoires provenant de la surface d'un corps solide-en signaux électriques, mais la plupart de ces méthodes ne permettent pas d'assurer la sensibilité-requise. La méthode utilisant l'effet piézo-électrique qui, par rapport à d'autres méthodes, assure une sensibilité plus élevée, a connu un grand dévelopgement dans le domaine des mesures des paramètres d'émission aeoustique.Ce fait est dû aux propriétés de résonance des éléments pié-zo-électriqDes qui, dans la majorité des cas, sont réalisés en céramique et, de façon générale, ne sont pas amortis, ce qui permet d'obtenir, à la fréquence de résonance, une sensibilité relativement élevée, la bande passante étant plus ou moins large. Or, l'utilisation des propriétés de résonance des éléments piézo-électriques, qui est à la base de cette méthode, entraîne la non linéarité sensible de la caractéristique amplitude-fréquence. I1 en résulte des distorsions importantes des signaux ce qui, par conséquent, rend moins élevée la précision des contrôles.
On connaît notamment un transducteur de signaux d'émission acoustique, comportant un boîtier, abritant un élément piézo-électrique, relié à un appareillage d'enregistrement extérieur (SU, A, 890234). Ce transducteur ne possède pas de protection fiable pouvant supprimer l'usure de l'élément piézo-électrique lorsqu'il se trouve en contact avec 1 'objet de contrôle.
Un transducteur de signaux d'émission acoustique a connu ces derniers temps une large expansion, qui comporte un boîtier, ayant des orifices à sa partie inférieure, un protecteur en un matériau acoustiquement transparent, agencé à la partie inférieure du boîtier et servant de pièce de contact du transducteur, ainsi qu'un élément piézo-électrique cylindrique réalisé notamment sous la forme d'un disque, polarisé le long de son axe est mis en place par son assise sur ce protecteur (V.A.
Greshnikov, Ju. V. Drobot. "L'émission acoustique. L'application pour les essais des matériaux et des produits", 1976, Maison d'Edition des Normes, (Moscou), pages 73 à 75, figure 23).
La réalisation du contact entre le transducteur et l'objet à contrôler a travers un protecteur acoustiquement transparent assure la protection de élément piézoélectrique contre son usure et ne diminue pas l'intensité des signaux arrivant à cet élément. Cependant, étant donné la réverbération de l'onde acoustique dans le protecteur servant de pièce de contact pour le transducteur, et également dans la masse du boîtier, la forme initiale du signal se trouve déformée lors de la conversion par suite de l'interférence du signal utile et des signaux d'écho.
Avec le transducteur du type connu, il est impossible d'obtenir un diagramme directionnel circulaire dans la plage de fréquences choisie lors-de la réception d'ondes normales et de surface en raison du fait que la forme du diagramme directionnel est une fonction très compliquée du rapport entre le longueur d'onde et les dimensions de la pièce de contact et de l'élément piézo-électrique. On sait seulement que plus ce rapport est faible, plus l'écart que prend la forme de ce diagramme par rapport à la forme circulaire est important.De plus, dans la plage de fréquences choisie, le transducteur du type connu a une caractéristique amplitude-fréquence qui est sensiblement non linéaire vue la présence-, dans cette plage de fréquences, de résanances mécaniques prenant naissance dans l'élément piézo-électrique-et le boîtier.
La présente invention a po-ur but de mettre au point un transducteur de signaux d1émission acoustique dans lequel, par le choix des proportions des dimensions de l'élément piézo-électrique et par la création de conditions d'absorption des ondes acoustique traversant ie protecteur et le boîtier du' transducteur, les conditions permettant l'apparition de résonances et de réverbérations de l'onde acoustique dans les éléments constitutifs du transducteur seraient supprimées et par conséquent l'irrégularité de la caractéristique amplitude-fréquence serait moins importante et la sensibilité du transducteur serait plus élevée, ce qui conduirait à un accroissement de la précision de mesure de paramètres des signaux d'émission acoustique.
La présente invention a po-ur but de mettre au point un transducteur de signaux d1émission acoustique dans lequel, par le choix des proportions des dimensions de l'élément piézo-électrique et par la création de conditions d'absorption des ondes acoustique traversant ie protecteur et le boîtier du' transducteur, les conditions permettant l'apparition de résonances et de réverbérations de l'onde acoustique dans les éléments constitutifs du transducteur seraient supprimées et par conséquent l'irrégularité de la caractéristique amplitude-fréquence serait moins importante et la sensibilité du transducteur serait plus élevée, ce qui conduirait à un accroissement de la précision de mesure de paramètres des signaux d'émission acoustique.
Le problème ainsi posé est résolu par le fait qu'un transducteur de signaux d'émission acoustique comportant un boîtier ayant un orifice dans sa partie inférieure, un protecteur en un matériau acoustiquement transparent, agencé à la partie inférieure du boîtier et servant de pièce de contact du transducteur, ainsi qu'un élément piézo-électrique cylindrique, polarisé- le long de son axe et monté par son assise sur ce protecteur, est doté; selon l'invention, d'un élément amortisseur ayant la forme d'un corps de révolution, disposé de façon coaxiale avec l'élément piézo-électriqueet acoustiquement couplé au boîtier et au protecteur du transducteur.
La présence d'un élément amortisseur couplé acoustiquement au boîtier et au protecteur permet d'obtenir une très intense absorption des ondes acoustiques traversant le protecteur et le boîtier et grâce à cela, le protecteur et le boîtier ne connaissent pratiquement pas de réverbération du signal, ce qui réduit au minimum l'interférence des signaux utiles et des signaux d'écho. I1 devient alors possible d'éviter les perturbations de la forme initiale du signal.
Le fait de réaliser l'élément amortisseur sous la forme d'un corps de révolution et de le disposer coaxialement par rapport à l'élément piézo-électrique, permet au transducteur d-'avoir un diagramme directionnel circulaire dans la gamme de fréquences choisie lors de la réception d'ondes acoustiques normales et de surface et d'améliorer la régularité de la caractéristique amplitudefréquence et la sensibilité du transducteur.
I1 est surtout avantageux que, dans le transduc- teur faisant l'objet de la présente invention, l'élément amortisseur soit réalisé sous la forme d'une douille, lo-gée dans 1 ' orifice du boitier,et contenant le protecteur ci-dessus mentionné. La réalisation de l'élément amortisseur sur la forme d'une douille, disposée à la façon indiquée ci-dessus, assure un découplage acoustique entre le protecteur, en co-ntact avec l'objet du contrôle et le boîtier, et il s'ensuit que le boîtier n'amortit pas les oscillations provenant de la surfa-ce de l'objet subissant le contrôle, ce qui augmente encore la sensibilité du transducteur lors de la réception des ondes normales et des ondes de surface. De même, la mise en place du protecteur à l'intérieur de la douille fait que celle-ci assure le blocage du protecteur le long de son périmètre, ce qui affaiblit nettement les oscillations radiales de résonance du protecteur et rend plus élevée la précision de mesures des paramètres de l'émission acoustique.
Il est souhaitable qu'en plus de la présence d'un élément amortisseur, dans le transducteur selon l'invention, le diamètre de l'élément piézo-électrique repré
sente 0,3 a 1,0 fois sa hauteur, que l'on devra choisir
comme suit
h = (0,25, ... 0,40) f
où h est la hauteur de l'élément p-iézo-électrique,
mm
c est la vitesse de propagation des oscillations
ultra-sonores dans le matériau de l'élément
piézo-électrique, mm/ms ; et
f est la fréquence supérieure de la bande de tra
vail du transducteur, kHz.
sente 0,3 a 1,0 fois sa hauteur, que l'on devra choisir
comme suit
h = (0,25, ... 0,40) f
où h est la hauteur de l'élément p-iézo-électrique,
mm
c est la vitesse de propagation des oscillations
ultra-sonores dans le matériau de l'élément
piézo-électrique, mm/ms ; et
f est la fréquence supérieure de la bande de tra
vail du transducteur, kHz.
Avec ces dimensions de l'élément piézo-électrique,
et tout en assurant un diagramme directionnel circulaire,
la sensibilité du transducteur devient maximale, l'irrégu
larité étant dans ce cas minimale en présence de déplace
ments normaux, c'est-à-dire de déplacements qui coinci
dent avec la direction de polarisation de l'élément piézo
électrique.
et tout en assurant un diagramme directionnel circulaire,
la sensibilité du transducteur devient maximale, l'irrégu
larité étant dans ce cas minimale en présence de déplace
ments normaux, c'est-à-dire de déplacements qui coinci
dent avec la direction de polarisation de l'élément piézo
électrique.
L'expression, précedemment indiquée et servant à
la détermination de la hauteur de l'élément pié.zo-électri-
que, peut s'expliquer de la façon suivante. Les expérien
ces effectuées ont démontré que pour évaluer de façon
univoque les résultats des mesures et accroître la préci
sion du contrôle, la dimension maximale de l'-élément piézo
électrique polarisé le long de son axe ( en l'occurrence
le long de sa hauteur) doit être inférieure 9 la mi-Ion
gueur de l'onde acoustique.Dans ce cas, cet élément piézo
électrique peut être considéré. en tant qu'élément ponc
tuel ou potentiel et parmi toutes les dimensions géométri
ques, c'est uniquement la hauteur de l'élément piézo
électrique qui influe sur sa sensibilité dans la plage
de fréquences choisie, c'e-st-è-dire au-dessous de la fré
quence de la première résonance. Lorsque, dans les limites
de la plaque choisie, la fréquence croit, la sensibilité
devient plus élevée pour atteindre le maximum à la .fré -quence de résonance. Pour que la résonance ait lieu, la
condition indispensable consiste en ce que l.a demi-onde il soit le multiple de l'une des dimensions et, dans ce cas particulier, la hauteur du cylindre.Les auteurs ont su prouver que la hauteur de l'élément piézo-électrique peut être définie par la relation
où h, c et f ont le même sens que pour la formule
mathématique ci-dessus, tandis que K est le coef
ficient adimensionnel qui dépend du facteur de
qualité de transducteur qui est défini par voie
expérimentale. On obtient les meilleurs résultats
avec K = 0,5 .... 0,8. En mettant ces grandeurs
de K dans la formule, cette dernière devient
l'expression donnée précedemment.
la détermination de la hauteur de l'élément pié.zo-électri-
que, peut s'expliquer de la façon suivante. Les expérien
ces effectuées ont démontré que pour évaluer de façon
univoque les résultats des mesures et accroître la préci
sion du contrôle, la dimension maximale de l'-élément piézo
électrique polarisé le long de son axe ( en l'occurrence
le long de sa hauteur) doit être inférieure 9 la mi-Ion
gueur de l'onde acoustique.Dans ce cas, cet élément piézo
électrique peut être considéré. en tant qu'élément ponc
tuel ou potentiel et parmi toutes les dimensions géométri
ques, c'est uniquement la hauteur de l'élément piézo
électrique qui influe sur sa sensibilité dans la plage
de fréquences choisie, c'e-st-è-dire au-dessous de la fré
quence de la première résonance. Lorsque, dans les limites
de la plaque choisie, la fréquence croit, la sensibilité
devient plus élevée pour atteindre le maximum à la .fré -quence de résonance. Pour que la résonance ait lieu, la
condition indispensable consiste en ce que l.a demi-onde il soit le multiple de l'une des dimensions et, dans ce cas particulier, la hauteur du cylindre.Les auteurs ont su prouver que la hauteur de l'élément piézo-électrique peut être définie par la relation
où h, c et f ont le même sens que pour la formule
mathématique ci-dessus, tandis que K est le coef
ficient adimensionnel qui dépend du facteur de
qualité de transducteur qui est défini par voie
expérimentale. On obtient les meilleurs résultats
avec K = 0,5 .... 0,8. En mettant ces grandeurs
de K dans la formule, cette dernière devient
l'expression donnée précedemment.
Si la hauteur de l'élément piézo-électrique est
c c inférieure à 0,25 f ou supérieure à 0,40 f , dans certains cas pratiques, la précision de mesure des paramètres d'emission acoustique peut subir de fortes baisses.
c c inférieure à 0,25 f ou supérieure à 0,40 f , dans certains cas pratiques, la précision de mesure des paramètres d'emission acoustique peut subir de fortes baisses.
I1 est également important qu'avec la hauteur choisie de l'élément piézo-électrique, son diamètre soit, comme on l'a proposé ci-dessus, égal à 0,3 à 1,0 fois sa hauteur. Cela s'explique comme suit. D'abord, dans ce cas, la fréquence de la première résonance sera définie par la première épaisseur du mode symétrique et alors le déplacement des particules se fera dans la direction du champ de polarisation, tout comme aux fréquences au-dessous de résonance. Si le diamètre de l'élément piézo-électrique est supérieur à sa ha-uteur, la fréquence de la première résonance est définie par le mode radial des oscillations avec lequel le déplacement des particules sera différent d'un déplacement normal.Deuxièmement, pour que l'élément piézo-électrique sìt ponctuel, il faut que la surface du contact acoustique soit minimale(inférieure a la demionde), ce qui permet d'avoir diagramme directionnel circulaire. Lorsque le rapport du diamètre de l'élément piézoélectrique a sa hauteur est supérieur à 1,0, il se peut que dans certains cas, le diagramme directionnel ne soit pas circulaire aux fréquences qui sont proches de celles de la résonance, étant donné l'imperfection de la technologie de fabrication de l'élément piézo-électrique et du transducteur, dans son ensemble.
Quand le diamètre de l'élément piézo électrique est inférieur à 0 3 fois se hauteur, ia capacité propre de cet élément piézo-électrique diminue très sensiblement.
Dans ce cas, il faut tenir compte du. fait que l'élément piézo-électrique est conne-cté à l'entrée d'un circuit électrique extérieur, dont la résistance et la capacité sont caractérisées par des valeurs finies. La présence d'une capacité dans le circuit électrique (telle que la capacité d'un cable d'alimentation ou l'impédance d'entrée d'un amplificateur) conduit au shuntage de l'élément piézo-électrique, c'est-à-dir-e à la perte de la sensibilité, et pour. cette raison il n'est pas souhaitable que le diamètre de 1 élément piézo-électrique soit inférieur à 0,3 fois sa hauteur.
Dans l'exposé qui suit, l'invention sera expliquée par la description détaillée d'exemples de sa mise en oeuvre avec référence aux dessins annexés,' où les mêmes éléments ont les mêmes désignations et dans lesquels
- la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un traNsducteur de signaux d'émission acoustique selon l'invention
- la figure 2 représente un mode de réalisation de l'ensemble de la figure 1 avec un élément amortisseur ayant la forme d'une douille
- les figures 3 à 7 montrent des caractéristiques amplitude-fréquence du transducteur selon l'invention pour différentes variantes de réalisation de son élément piézo-électrique.
- la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un traNsducteur de signaux d'émission acoustique selon l'invention
- la figure 2 représente un mode de réalisation de l'ensemble de la figure 1 avec un élément amortisseur ayant la forme d'une douille
- les figures 3 à 7 montrent des caractéristiques amplitude-fréquence du transducteur selon l'invention pour différentes variantes de réalisation de son élément piézo-électrique.
Le transducteur de signaux d'émission acoustique selon l'invention (voir figure 1) comporte un boîtier creux 1, muni d'un couvercle 2, un protecteur 3 ayant la forme d'un. godet, fixé dans un orifice dans la partie inférieure du boîtier 1, un élément piézo--électrique cylindrique 4 polarisé le long de son axe et fixé par sa base sur le protecteur 3, ainsi qu'un préamplificateur 5, monté dans la cavité du boîtier 1 et électriquement relié, par son entrée, à l'élément piézo-électrique 4. Le boîtier 1 est doté d'une prise 6 de raccordement électrique, qui est reliée à la sortie du préamplificateur 5 et qui permet le branchement du transducteur à un appareillage d'enregistrement extérieur (non représenté).Le transducteur comporte également un élément amortisseur 7 ayant la forme d'un corps de révolution, disposé coaxialement par rapport à l'élément piézo-électrique 4 et qui se trouve en contact avec le boîtier 1 et avec le protecteur 3, comme on peut le voir à la figure 1. Cette figure fait également appa raître un produit suibissant. le contrôle (objet de contrôle) 8. Le boîtier 1 est destiné à écraner l'élément piézo-électrique 4 et le préamplificateur 5 par rapport aux champs électromagnétiques extérieurs ainsi qu'à rendre le transducteur suffisamment résistant sur le plan mécanique. Dans un cas particulier, le boîtier 1 et son couvercle 2 peuvent être fabriqués en acier inoxydable.
La partie inférieure (partie de contact) du boîtier 1 à la forme d'une saillie la,présentant un cône tronqué dont la petite base se trouve en regard du produit è contrôler 8. Cette disposition contribue au découplage acoustique du boîtier 1 et du -produit 8 subissant le contrôle. I1 est avantageux que l'angle formé par la génératrice de la surface latérale du cône avec sa grande base so-it de 50 à 100. Lorsque cet angle est inférieur à 50, il peut arriver que l'intervalle entre la saillie la du boîtier 1 et le produit 8 en cours de contrôle soit rempli d-e liquide de contact, provoquant l'apparition d'un couplage acoustique entre le boîtier 1 et l'objet de contrôle.
Lors-que cet angle est supérieur a 10 , les dimensions du transducteur deviennent plus importantes t la position de son centre de gravité se trouve déplacée vers le haut, ce qui diminue la stabilité du transducteur et la fiabilité de sa fixation sur l'objet à contrôler.
Le protecteur 3 sert à la protection de 1'é1é- ment piézo-électrique 4 contre l'usure qui a lieu lors du contact avec le produit 8 à contrôler. Le protecteur 3 est fabriqué en un matériau électriquement isolant et acoustiquement transparent, tel que le quartz, le saphir, le sitall et autres. Notamment, le protecteur 3 peut être réalisé en résine époxy et avoir une épaisseur de 2 mm.
Dans la variante montrée à la figure 1, l'élément amortisseur 7 représente une couche conique de matière coulée dans l'espace entre les parois du boîtier 1 et le protecteur 3, laquelle matière est capable d'absorber les ondes acoustiques comme, par exemple, une résine artificielle,avec addition de charge d'une masse volumique élevée. On peut notamment recourir à une résine époxy e y ajoutant 80% en poids de poudre de tungst-ène.
L'élément piézo-électrique cylindrique 4 est destiné à la transformation des oscillations élastiques, provenant de la surface du produit à contrôler, en signaux électriques et il est réalisé en un-e céramique polarisée le long de l'axe du cylindre.- Les dimensions de l'élément piézoélectrique 4 sont choisies de façon à assurer, dans la gamme de fréquences de fonctionnement avec un diagramme directionnel circulaire, la sensibilité maximale, l'irrégularité vis à vis des déplacements normaux étant minimale, comme on l'a déjà indiqué précédemment.
C'est ainsi'que Ia hauteur h de l'élément piézoélectrique 4 est choisie à partir de l'expression
-h = (0,25 ... 0,40) Cf tandis que le diamètre d est compris entre O;3 et 1,0 fois la hauteur h (les notations utilisées ont déjà été expliquées ci-dessus).
-h = (0,25 ... 0,40) Cf tandis que le diamètre d est compris entre O;3 et 1,0 fois la hauteur h (les notations utilisées ont déjà été expliquées ci-dessus).
Notamment, dans un transducteur fonctionnant dans la plage de fréquences de 10 à 300 kHz, l'élément piézo-électrique 4, réalisé en une céramique à base de zirconate-titanate de plomb (c = 4000 mm/ms), a une hateur de 5 mm, son diamètre étant égal à 3,5 mm. L'irrégularité de la caractéristique amplitude-fréquence se chiffre à 6 dB. I1 est possible de prévoir une réalisation des éléments piézo-électrique 4 avec d'autres dimensions, mais chaque fois il faut que ce soit dans les limites de recommandations indiquées ci-dessus.
Le préamplificateur 5 est destiné à l'amplification des signaux électriques en provenance de l'élément piézo-électrique 4 et à la transmission de ces signaux, à travers la prise de raccordement électrique 6 et le câble d'alimentation, à des appareils d'enregistrement. Le préamplificateur 5 est réalisé de manière connue, par exemple, comme cela est décrit dans le recueil de l'Academie des Sciences de l'URSS, "Les appareils et les techniques de l'expérience" (Pribory i tekhnika experimenta"), NÔ 1, 1976 (Moscou), G. P. Pétine "Préam-plifica- teurs amovibles" ("Vynosnye predvaritelnye usiliteli"), pages 137 à 139.
En particulier, un transducteur, fonctionnant dans la gamme de fréquences précedemment mentionnée (10 - 300 kHz), doit avoir un préamplificateur dont la résistance d'entrée s'élève à 1 M et dont la capacité d'entrée s-e chiffre à 4 pF, ce qui permet d'adapter l'entrée de l'amplificateur à l'élément piézo-électrique 4.
Il y a lieu de signaler que le préamplificateur 5 n est pas un élément obligatoire du transducteur selon l'invention. Cet amplificateur peut donc prendre place aussi bien à l'intérieur qu'au dehors du boîtier 1 du transducteur. D'autre part, l'agencement du préamplificateur 5 dans le boîtier 1 du transducteur, comme cela est montré à la figure 1, c'est-à-dire à proximité immédiate de l'élément piézo-électrique 4, permet d'éviter le shuntage de la capacité propre de l'élément piézo-électrique 4 par la capacité relativement plus élevée du câble d'alimentation qui est suffisamment long et qui relie cet élément piézo-électrique 4 aux appareils extérieurs d'enregistrement et de prévenir, par conséquent, l'affaiblissement des signaux électriques.
Le transducteur comporte également des électrodes (qui ne sont pas représentées sur les dessins), reliées à l'élément piézo-électrique 4 et au protecteur 3, et servant au captage des signaux électriques à la surface de l'élément piézo-électrique 4. L'application de ces électrodes sur la surface de l'élément piézo-électrique 4 se fait par enduction d'argent porté à fusion, et sur la surface intérieure du protecteur 3, par dépôt de métal sous vide.
Il est possible de réaliser les électrodes en utilisant, à cet effet, des colles conductrices du courant telles que, par exemple, une résine synthétique chargée de poudre métallique finement dispersée.
Le transducteur décruait avec un élément amortisseur 7 réalisé comme à la version montrée à la figure 1, est le plus simple et sa fabrication est très bon marché.
La version du transducteur présenté à la figure 2 assume une plus haute précision dè la mesure des paramètres de l'émission acoustique, comportant l'élément amortisseur 7 réalisé sous la forme d'une douille, placée dans un orifice du boîtier 1, le protecteur 3 prenant place dans la douille. A la différence de la conception montrée à la figure 1, le protecteur 3 et le boîtier 1 sont en contact acoustique direct (ce qui rend indispensable de prévoir une aire circulaire pour assurer la coulée d'une matière qui forme l'élément amortisseur 7), la version, représentée à la figure 2, grâce à la réalisation de l'élément amortisseur 7 sous la forme d'une douille mise en place comme cela a été indiqué ci-dessus, permet d'éviter ce contact ce qui signifie qu'elle assure un isolement acoustique du boîtier 1 par rapport au protecteu'r 3.On peut ainsi éliminer l'amortissement par le boîtier 1 des ondes acoustiques provenant du produit 8, et réduire davantage la pro babilité de leur réverbération dans le boîtier -1. L'élément amortisseur 7, moulé rigidement sous la forme d'une douille, qui assure de manière très sûre le coincement du protecteur 3, permet d'affaiblir sensiblement les oscillations radiales de résonance de protecteur 3.
Le fonctionnement du transducteur de signaux d'émission acoustique décrit est le suivant. On place le transducteur sur la surface d'un produit 8 à contrôler après avoir mis, sur cette surface, du liquide de contact (non représenté sur les dessins), afin de créer, de cette manière, un contact acoustique fiable entre le produit 8 à contrôler et le protecteur 3 du transducteur.
Lors du fonctionnement du transducteur, des impulsions d'émission acoustique, qui témoignent d'un défaut intérieur se développant dans la structure du matériau du produit en cours de contrôle, se propagent sur ce produit 8 sous la forme d'ondes normales de contrainte et de surface et parviennent, en passant par le protecteur 3, à l'élément piézo-électrique 4, où ces impulsions sont ouvertes en signaux électriques. Les signaux en provenance de l'élément piézo-électrique 4 se présentent au préamplificateur 5 qui les fait passer par la prise de raccordement électrique 6 vers les appareils extérieurs d'enregistrement où se produit le traitement des informations concernant le défaut, qui sont contenues dans les impulsions d'émission acoustique.L'élément amortisseur 7, ayant la forme d'une couche conique ( figure 1) ou d'une douille (figure 2) absorbe de façon intense les ondes acoustiques et prévient ainsi la réverbération des signaux à l'intérieur du'boîtier 1. Dans ces conditions, avec un élément amortisseur 7 sous la forme d'une douille, on arrive à obtenir en plus, comme l'on a indiqué ci-dessus, un affaiblissement des oscillations de résonance du protecteur 3 et à éviter l'amortissement, par le boîtier 1, des oscillations de surface du produit à contrôler 8, ce qui fait que la sensibilité du transducteur se rapproche de la sensibilité maximale que l'on peut atteindre. De même, on obtient des caractéristiques uniformes amplitude-fréquence d'un diagramme directionnel circulaire dans toute la gamme des fréquences de fonctionnement.
I1 convient également de noter une haute immunité aux parasites du transducteur selon l'invention, ce problème étant résolu grâce à la réalisation du protecteur 3 en matériaux électroisolants, ce qui permet d'éviter un contact galvanique de l'élément piézo-électrique 4 avec le matériau du produit 8 à contrôler.Cela est très important, surtout, si l'on tient compte du fait que les transducteursde signaux d'émission acoustique sont utilisés sur des objets à contrôler qui sont éloignés, de fa çon générale, des appareils de traitement de signaux, de distances importantes (jusqu'à 300 m). I1 se trouve que le potentiel des parties mises à la terre de l'objet à contrôler est différent de ce-lui de la barre de terre de l'appareillage de traitement de signaux en raison du fait que les résistances de ces circuits de mise à la terre sont différentes de zéro et que ces circuits seront tranversés par les courants de fuite, provenant des machines électriques en marche. Lorsqu'il' y a un contact galvanique entre le boîtier 1 du transducteur et l'objet à contrôler, les courant de fuite s'écoulent par la tresse du câble, faisant apparaître sur la résistance équivalente de celleci, une différence de potentiel pouvant s'ajouter à la tension de la source de signaux. Pour combattre cette perturbation, il est nécessaire d'avoir des terres équipotentielles, ce qui ne peut être réalisé-en conditions industrielles, ou bien il faut isoler-le boîtier 1 du transducteur par rapport à I'objet'à contrôler, pour couper le circuit, véhiculant le courant de perturbation, ce qui est le cas du transducteur selon l'invention.
L'exposé qui suit présente des exemples concrets de mise en oeuvre de l'invention, faisant ressortir la variation des caractéristiques d-e fonctionnement du transducteur de signaux d'émission acoustique (voir les figures 3 à 7), selon l'invention, en fonction des dimensions et du matériau de l'élément piézo-électrique.Pour la figure 3, montrant la caractéristique amplitude-fréquence du transducteur décrit à l'exemple 1, et pour les figures qui suivent et qui font apparaitre-les caractéristiques amplitude-fréquence pour les autres exemples, on a adopté les notations suivantes
f est la fréquence
fl est la fréquence inférieure de la gamme de
fonctionnement
f2 est a fréquence supérieure de la gamme de
fonctionnement
= f2 -f1 est la bande de fréquences de la gamme
de fonctionnement
f est la fréquence de la première résonance de
o
l'élément piézo-électrique
S est la sensibilité
Exemple 1
On utilise un transducteur de conception selon l'invention, ayant dans la gamme de fonctionnement la fréquence supérieure de 300 kHz, doté d'un élément piézoélectrique, en une céramique à base de zirconate-titanate de plomb et se distinguant par les paramètres suivants
c = 4000 mm/ms,
h = 2 mm (h = 0,15 fc ) , 2
d = 0,4 mm (d = 0,2h).
f est la fréquence
fl est la fréquence inférieure de la gamme de
fonctionnement
f2 est a fréquence supérieure de la gamme de
fonctionnement
= f2 -f1 est la bande de fréquences de la gamme
de fonctionnement
f est la fréquence de la première résonance de
o
l'élément piézo-électrique
S est la sensibilité
Exemple 1
On utilise un transducteur de conception selon l'invention, ayant dans la gamme de fonctionnement la fréquence supérieure de 300 kHz, doté d'un élément piézoélectrique, en une céramique à base de zirconate-titanate de plomb et se distinguant par les paramètres suivants
c = 4000 mm/ms,
h = 2 mm (h = 0,15 fc ) , 2
d = 0,4 mm (d = 0,2h).
Vu ses faibles dimensions, le transducteur avec un élément piézo-électrique ayant les paramètres indiqués ci-dessus a une sensibilité peu élevée. De plus, la capacité propre de ce transducteur ne représente que quelques fractions de picofarad, ce qui est inférieur à la capacité du circuit d'entrée des appareils extérieurs d'enregistrement. Ce fait conduit également à la diminu tion de la sensibilité par rapport à la sensibilité S
o potentiellement possible (indiquée sur la figure 3 par une courbe en pointillé), pouvant être obtenue dans le cas où l'élement piézo-électrique coopère avec des circuits parfaits d'entrée (à capacité d'entrée égale à zéro et à résistance d'entrée infiniment grande).Cela est dû au fait que la capacité interne de l'élément piézo-électrique s'avère nettemen-t plus élevée que la résistance des circuits d'entrée, ce qui provoque le- shuntage des signaux par les circuits d'entrée. Pour cette même raison, la fréquence inférieure fl de la gamme de fonctionnement de l'élément piézo-électrique se déplace dans le domaine des fréquences supérieures tout en conservant l'irrEgula- rité prédéterminée de la caractéris-tique amplitudefréquence (tronçon "bc" sur la figure 3), ce qui provoque le rétrécissement de la bande df des fréquences de la gamme de fonctionnement.
o potentiellement possible (indiquée sur la figure 3 par une courbe en pointillé), pouvant être obtenue dans le cas où l'élement piézo-électrique coopère avec des circuits parfaits d'entrée (à capacité d'entrée égale à zéro et à résistance d'entrée infiniment grande).Cela est dû au fait que la capacité interne de l'élément piézo-électrique s'avère nettemen-t plus élevée que la résistance des circuits d'entrée, ce qui provoque le- shuntage des signaux par les circuits d'entrée. Pour cette même raison, la fréquence inférieure fl de la gamme de fonctionnement de l'élément piézo-électrique se déplace dans le domaine des fréquences supérieures tout en conservant l'irrEgula- rité prédéterminée de la caractéris-tique amplitudefréquence (tronçon "bc" sur la figure 3), ce qui provoque le rétrécissement de la bande df des fréquences de la gamme de fonctionnement.
Malgré la diminution de l'efficacité sous l'effet des facteurs ci-dessus indiqués, ce transducteur se dis tangue par une sélectivité élevée Vis-à-vis des déplacements de la surface du produit contrôlé dans une direction allant 1-e long de l'axe de polarisation de l'élément piézo-électrique, ce qui favorise l'accro'issement de la précision de mesure des paramètres d'émission acoustique.
Exemple 2
Dn utilise un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de fonctionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau, mais ayant les dimensiqns suivantes c
h = 3,3 mm (h = 0,25 Cf )
f2
d = 1 mm (d = 0,3 h).
Dn utilise un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de fonctionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau, mais ayant les dimensiqns suivantes c
h = 3,3 mm (h = 0,25 Cf )
f2
d = 1 mm (d = 0,3 h).
Cet élément piézo-électrique a une sensibilité plus élevée et une plus large bande de fréquences dans la gamme de fonctionnement (tronçon "bc" sur la figure 4) que l'élément piézo-électrique précedemment décrit, ce qui est dû à l'augmentation des dimensions de cet élément piézoélectrique et à l'accroissement de sa capacité propre.
Dans ce cas, on assiste à une diminution de la capacité interne de l'élément piézo-électrique et par conséquent à la réduction de l'effet de shuntage des circuits d'entrée du matériel extérieur d'enregistrement. Etant donné le fait que les dimensions de l'élément piézo-électrique sont nettement inférieures à la demi-onde de fréquence supé rieure ( 't = 6,6 mm) de la gamme d-e fonctionnement, on
2 arrive à assurer un diagramme directionnel 'satis'faisant.
2 arrive à assurer un diagramme directionnel 'satis'faisant.
Avec le rapport d/h choisi, l'élément piézo-électrique est sensible aux déplacements de la surface du produit contrôlé, lesquels se font suivant l'axe de polarisation.
Exemple 3
On utilise un transducteur ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de fonctionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau mais ayant les dimensions suivantes
h = 4,3 mm (h = 0,32 ef ) 2
d = 3,0 mm (d = 0,7 h).
On utilise un transducteur ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de fonctionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau mais ayant les dimensions suivantes
h = 4,3 mm (h = 0,32 ef ) 2
d = 3,0 mm (d = 0,7 h).
Ce transducteur a une sensibilité plus élevée que celui décrit à l'exemple 2, grâce à l'accroissement des dimensions de l'élément piézo-électrique et de sa capacité propre, qui se chiffre dans ce cas à quelques dizaines de picofarads et, de ce fait, l'élément piézoélectrique de l'exemple 3 s'adapte facilement aux circuits d'entrée des appareils extérieurs d'enregistrement.
La sensibilité du transducteur et la largeur de la bande des fréquences de la gamme de fonctionnement correspondent pratiquement aux grandeurs potentiellement possibles (tronçon "bc" sur la figure 5). Comme aux exemples précédents, le rapport choisi d/h = 0,7 assure, pour le transducteur, une sensibilité sélective en ce qui concerne les déplacements des points de surface du produit en cours de contrôle, dont la direction coincide avec celle de la polarisation de l'élément piézo-électrique. La fré quence f de la première résonance se trouve nettement
o plus haut que la fréquence supérieure f2 d-e la gamme des fréquences de fonctionnement et c'est pour cette raison que l'irrégularité de la caractéristique amplitude-fréquence est minimale à l'intérieur de cette gamme. On ob tie-nt dans ce cas également un diagramme directionnel satisfaisant.
o plus haut que la fréquence supérieure f2 d-e la gamme des fréquences de fonctionnement et c'est pour cette raison que l'irrégularité de la caractéristique amplitude-fréquence est minimale à l'intérieur de cette gamme. On ob tie-nt dans ce cas également un diagramme directionnel satisfaisant.
Exemple 4
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de- fonctionnement qu'à
I'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau, mais ayant les dimensions suivantes c
h = 5,3 mm (h = 0,4 f ) ,
d = 5,3 mm (d = 1,0 h-)
L'augmentation des dimensions de l'élément piézoélectrique conduit à une certaine augmentation de sa sensibilité. Le rapport choisi d/h = 1,0 permet d'obtenir un diagramme directionnel satisfaisant et une sensibilité aux déplacements dont la dire-ction coïncide avec celle de l'axe de polarisation dans la gamme des fréquences de fonc- tionnement.Dans le domaine des fréquences supérieures, on constate la montée de l-a caractéristique amplitude fréquence à la suite d'un déplacement de la fréquence f
o de la première résonance vers la fréquence f2 supérieure de la gamme des fréquences de fonctionnement et par conséquent l'irrégularité de la ca.ractérist-ique amplitude-fréquence du transducteur est plus importante que dans l'exemple précedent.
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme de- fonctionnement qu'à
I'exemple 1, doté d'un élément piézo-électrique, réalisé dans le même matériau, mais ayant les dimensions suivantes c
h = 5,3 mm (h = 0,4 f ) ,
d = 5,3 mm (d = 1,0 h-)
L'augmentation des dimensions de l'élément piézoélectrique conduit à une certaine augmentation de sa sensibilité. Le rapport choisi d/h = 1,0 permet d'obtenir un diagramme directionnel satisfaisant et une sensibilité aux déplacements dont la dire-ction coïncide avec celle de l'axe de polarisation dans la gamme des fréquences de fonc- tionnement.Dans le domaine des fréquences supérieures, on constate la montée de l-a caractéristique amplitude fréquence à la suite d'un déplacement de la fréquence f
o de la première résonance vers la fréquence f2 supérieure de la gamme des fréquences de fonctionnement et par conséquent l'irrégularité de la ca.ractérist-ique amplitude-fréquence du transducteur est plus importante que dans l'exemple précedent.
Exemple 5
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme des fréquences de'fonc- tionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézoélectrique réalisé dans le-même matériau mais ayant les dimensions suivantes
h = 8,5 mm (h-= 0,64 c f2
d = 12,8 mm (d = 1,5 h).
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme des fréquences de'fonc- tionnement qu'à l'exemple 1, doté d'un élément piézoélectrique réalisé dans le-même matériau mais ayant les dimensions suivantes
h = 8,5 mm (h-= 0,64 c f2
d = 12,8 mm (d = 1,5 h).
L'augmentation si importante des dimensions de l'élément piézo-électrique ne permet pas d'obtenir une augmentation souhaitable de la sensibilité du transduc teur. En même temps, avec ces dimensions de l'élément piézo-électrique et leur rapport, la fréquence f de la
o première résonance se trouve à l'intérieur de la gamme des fréquences de fonctionnement, ce qui donne lieu à une irrégularité très sensible de la caractéristique amplitudefréquence (tronçons- "bd" et "dc" sur la figure 6). De plus, étant donné que d > h, la première résonance de l'élément piézo-électrique est radiale.A la fréquence de la première résonance et aux fréquences très proches de celle-ci, l'élément piézo-électrique est sensible aux déplacements des points de la surface du produit suibissant le contrôle, dont la direction'coincide avec celle des oscillations radiales propres perpendiculaires à l'axe de polarisation de l'élément piézo-électrique, ce qui réduit l'efficacité du transducteur.
o première résonance se trouve à l'intérieur de la gamme des fréquences de fonctionnement, ce qui donne lieu à une irrégularité très sensible de la caractéristique amplitudefréquence (tronçons- "bd" et "dc" sur la figure 6). De plus, étant donné que d > h, la première résonance de l'élément piézo-électrique est radiale.A la fréquence de la première résonance et aux fréquences très proches de celle-ci, l'élément piézo-électrique est sensible aux déplacements des points de la surface du produit suibissant le contrôle, dont la direction'coincide avec celle des oscillations radiales propres perpendiculaires à l'axe de polarisation de l'élément piézo-électrique, ce qui réduit l'efficacité du transducteur.
Dans ces conditions, le' diagramme directionnel du transducteur à la fréquence de résonance dépend, selon une loi compliquée, des conditions de fixation du transducteur sur le produit à contrôler et sa forme peut être très différente de la forme circulaire.
Exemple 6
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme des fréquences de fonctionnement qu'à l'exemple 1, équipé d'un élément piézo-électrique, en un matériau céramique à base de zirconate-tita nate de plomb et présentant les paramètres suivants
c = 3000 mm/ms
h = 3,2 mm (h = 0,32 c
f2
d = 2,2 mm (d = 0,7 h).
I1 s'agit d'un transducteur, ayant la même fréquence supérieure dans la gamme des fréquences de fonctionnement qu'à l'exemple 1, équipé d'un élément piézo-électrique, en un matériau céramique à base de zirconate-tita nate de plomb et présentant les paramètres suivants
c = 3000 mm/ms
h = 3,2 mm (h = 0,32 c
f2
d = 2,2 mm (d = 0,7 h).
Ce transducteur offre en réalité les mêmes caractéristiques satisfaisantes que celui de l'exemple 3 (voir figure 5).
Il apparatt, de ce qui précède, que les plus efficaces sont les versions du transducteur selon l'invention qui sont données aux exemples 2, 3, 4 et 6. Par ailleurs, il faut tenir compte du fait qu'avec ces versions du transducteur selon l'invention, on ne peut obtenir une haute -précision de la mesure des paramètres de signaux d'émission acoustique qu'en utilisant obligatoirement l'élément amortisseur précedemment décrit, qui permet de supprimer la réverbération du signal à l'intérieur du boîtier et du protecteur ainsi que d'éliminer leurs résonances propres.
Claims (4)
1. Transducteur de signaux d'émission acoustique du type comportant un boîtier ayant un orifice à sa partie inférieure, un protecteur en un matériau acoustiquement transparent, agencé à la partie inférieure du boîtier et servant de pièce de contact du transducteur, ainsi qu'un élément piézo-électrique cylindrique, polarisé le long de son axe et monté, par sa base, sur ledit protecteur, caractérisé en ce qu'il est doté d'un élément amortisseur (7) ayant la forme d'un corps de révolution, disposé coaxialement à l'élément piézo-électrique (4) et acoustiquement couplé au boîtier (1) et au protecteur (3).
2. Transducteur selon la revendication- 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur (7) a la forme d'une douille, logée dans l'orifice du boîtier (1) et dans laquelle est reçu le protecteur (3).
3. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,caractérisé en ce que le diamètre de l'élément piézo-électrique (4) est égal à 0,3 à 1,0 fois sa hauteur.
4. Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la hauteur de l'élément piézo-électrique (4) est choisie en partant de la condition suivante
h = (0,25 ... 0,40) Cf où h est la- hauteur de l'élément piézo-électrique
(4), mm
c est la vitesse de propagation des oscillations
ultra-sonores dans le matériau de l'élément
piézo-électrique, mm/ms
f est la fréquence supérieure de- la gamme des
fréquences de fonctionnement du transducteur,
kHz.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8808181A FR2633139B1 (fr) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | Transducteur de signaux d'emission acoustique |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8808181A FR2633139B1 (fr) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | Transducteur de signaux d'emission acoustique |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2633139A1 true FR2633139A1 (fr) | 1989-12-22 |
| FR2633139B1 FR2633139B1 (fr) | 1990-11-16 |
Family
ID=9367439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8808181A Expired - Fee Related FR2633139B1 (fr) | 1988-06-17 | 1988-06-17 | Transducteur de signaux d'emission acoustique |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2633139B1 (fr) |
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1988
- 1988-06-17 FR FR8808181A patent/FR2633139B1/fr not_active Expired - Fee Related
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