FR2706617A1 - Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. - Google Patents
Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. Download PDFInfo
- Publication number
- FR2706617A1 FR2706617A1 FR9307412A FR9307412A FR2706617A1 FR 2706617 A1 FR2706617 A1 FR 2706617A1 FR 9307412 A FR9307412 A FR 9307412A FR 9307412 A FR9307412 A FR 9307412A FR 2706617 A1 FR2706617 A1 FR 2706617A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- waves
- wave
- signals
- longitudinal
- transverse
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/12—Analysing solids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/023—Solids
- G01N2291/0237—Thin materials, e.g. paper, membranes, thin films
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/028—Material parameters
- G01N2291/02827—Elastic parameters, strength or force
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/042—Wave modes
- G01N2291/0422—Shear waves, transverse waves, horizontally polarised waves
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/04—Wave modes and trajectories
- G01N2291/042—Wave modes
- G01N2291/0428—Mode conversion
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/10—Number of transducers
- G01N2291/102—Number of transducers one emitter, one receiver
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/26—Scanned objects
- G01N2291/263—Surfaces
- G01N2291/2632—Surfaces flat
Abstract
L'invention concerne un procédé de caractérisation d'échantillons de matériaux sous forme de lame à faces parallèles et un dispositif de mise en œuvre de ce procédé. Le procédé est basé sur l'interprétation de signaux ultrasonores. Selon l'invention, on applique à un échantillon de matériau des impulsions d'ondes ultrasonores selon un seul mode de vibration, transversal ou longitudinal. L'état vibratoire se modifie aux faces de la lame qui jouent le rôle de générateur d'ondes selon les deux modes dont les échos (Ei1 1 , Ei2 1 , Ei2 2 , Ei3 1 , Ei3 2 , Ei3 3 ) sont utilisés pour déterminer divers paramètres caractéristiques du matériau. Application notamment à la détermination du module de YOUNG, du coefficient du POISSON, des coefficients de LAME et du module de dilatation cubique d'un matériau.
Description
La présente invention concerne un procédé de caractérisation de matériaux
solides, basé sur l'interprétation de signaux électriques images d'impulsions ultrasonores ou d'ébranlements
élastiques du type T ("Transversal") ou de type L ("Longitudinal").
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en
oeuvre du procédé.
Dans le cadre de l'invention, le terme solide englobe
également l'état pâteux d'un matériau.
Dans le cadre de la mécanique des milieux continus, on sait qu'il est possible de déterminer à partir des vitesses de propagation d'ondes élastiques de type L et de type T, les coefficients et modules définissant le comportement élastique du matériau. Les procédés de ce
type permettent ainsi de caractériser lesdits matériaux.
Cependant, dans l'art connu, la détermination des vitesses de propagation nécessite au moins deux opérations de mesurage: I'une en onde de type T, I'autre en onde de type L; ce qui est donc
relativement complexe.
La théorie actuellement admise pour les ultrasons ou ondes similaires, indique que les ondes planes sous incidence nulle ne subissent pas de transformation de leur mode de vibration au passage de dioptres
acoustiques, c'est-à-dire des frontières entre deux milieux différents.
Or la Demanderesse a mis en évidence, de façon surprenante, que quel que soit le type d'onde ultrasonore (longitudinal ou transversal), il se produit un changement partiel de mode de vibration initial, à chaque passage de dioptre, à incidence nulle, c'est-à-dire aux
interfaces entre le matériau et le milieu extérieur.
Ces changements partiels systématiques de mode de vibration à chaque passage de dioptre acoustique se traduisent, par exemple sur la trace d'un échogramme fourni par un appareil de mesure, par l'apparition de signaux intermédiaires, parfaitement identifiables, c'est-à-dire dont les positions respectives sont prévisibles et en accord
avec la trace expérimentale.
Ces signaux intermédiaires sont fonction de la nature et de la dimension des échantillons de matériaux et peuvent interférer avec les signauxéchos "normaux", à la fois en position et en amplitude. Par signaux- échos "normaux", on entend les signaux que la théorie classique permet de prévoir. L'amplitude de ces signaux intermédiaires croît avec l'énergie d'excitation initiale, et peut donc devenir du même ordre de
grandeur que celles des signaux-échos de rang éloigné.
L'invention tire partie de ce phénomène et se fixe pour but principal de simplifier les opérations de mesurage, malgré le fait que, a priori, les signaux intermédiaires pourraient être considérés comme gênants. L'invention permet en effet de caractériser un matériau solide ou pâteux en une seule opération de mesurage, ce contrairement aux procédés de l'art connu, ce qui constitue une simplification substantielle de ces procédés. Pour ce faire, on visualise, par exemple à l'aide d'un oscilloscope, d'un oscillographe ou d'un appareil similaire, des impulsions électriques issues de la conversion par un transducteur, lors de la propagation d'une impulsion élastique dans un matériau solide, des informations portées par les ondes de type T et L. De façon plus précise, le procédé est basé sur la modification de l'état vibratoire des surfaces d'une lame à face parallèle bornant le milieu solide à analyser. Un transducteur génère un ébranlement élastique d'un seul type, L ou T, qui pénètre le milieu solide
ou pâteux constituant le matériau à caractériser, par un dioptre plan.
Quel que soit le type d'onde généré, L ou T, on constate qu'une onde de surface du type "onde de Rayleigh" va être associée à l'onde principale de chaque dioptre bornant le milieu, et ceci quel que soit le mode
d'interaction, c'est-à-dire en transmission ou en réflexion.
Cette onde de Rayleigh peut être considérée comme une source secondaire du type L et T associée à une onde principale du type L ou T. L'invention a donc pour objet un procédé de caractérisation d'un échantillon de matériau se présentant sous la forme d'une lame à faces parallèles, le procédé comprenant l'application d'impulsions d'ondes planes élastiques, sous incidence nulle, au travers du dioptre plan constitué par l'interface entre le milieu extérieur au matériau et l'une desdites faces parallèles, pour exciter ce matériau, cette application occasionnant une série d'échos dus aux réflexions successives desdites ondes sur les faces parallèles de la lame du matériau, caractérisé en ce que lesdites ondes excitatrices sont d'un mode de vibration déterminé, unique, transversal T ou longitudinal L, et en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: détection de signaux images d'échos intermédiaires produits par des changements partiels dudit mode de vibration déterminé aux passages successifs des dioptres plans formés par les interfaces entre les faces parallèles de ladite lame et le milieu extérieur au matériau, lesdits échos intermédiaires correspondant à des ondes selon les deux modes de vibrations, transversal T et longitudinal L; - mesure de l'intervalle de temps séparant au moins une paire desdits échos intermédiaires, l'un des échos correspondant à une vibration en mode transversal, et l'autre à une vibration en mode longitudinal ou une combinaison des deux modes; et détermination à partir de cet intervalle de temps d'au moins
un paramètre caractéristique dudit matériau.
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que ledit paramètre caractéristique est la vitesse de propagation des ondes dans le matériau selon un desdits modes de vibration, transversal ou longitudinal. L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que I'on mesure plusieurs desdits intervalles de temps séparant plusieurs paires d'échos intermédiaires, et en ce que l'on détermine à partir de ces intervalles de temps les vitesses moyennes de propagation des ondes dans le matériau, selon lesdits modes de vibration transversal et
longitudinal respectivement.
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que, connaissant la masse volumique du matériau et l'épaisseur de ladite lame, on détermine des paramètres caractéristiques supplémentaires de
ce matériau.
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que I'on détermine le module de YOUNG de ce matériau, E, conformément à la relation suivante: E = p CT2 (3 CL2 - 4CT2)/(CL2 - CT2); CT est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration transversal; CL est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration horizontal;
o est ladite masse volumique du matériau.
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que l'on détermine le coefficient de POISSON du matériau, conformément à la relation 2 suivante:
-- = (CL2 - 2 CT2)/2(CL2 - CT2)
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que l'on détermine les coefficients de LAME,A et G, conformément aux relations suivantes: et G =pCT2 L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que l'on détermine le module de dilatation cubique du matériau K, conformément à la relation:
K =P (CL2 - 4/3 CT2)
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que lesdits signaux images sont constitués par des signaux électriques issus de la conversion desdites ondes aux interfaces entre le matériau et le milieu extérieur, en ce que ces signaux électriques sont visualisés sur un oscillogramme et en ce que les intervalles de temps séparant les échos intermédiaires desdites paires sont déterminés à partir de leurs positions
temporelles respectives sur cet oscillogramme.
L'invention a pour objet un procédé caractérisé en ce que lesdites ondes sont des ondes ultrasonores ou des ébranlements élastiques. L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé caractérisé en ce qu'il comprend au moins un émetteur d'impulsions électriques, un transducteur-émetteur-récepteur, couplé à l'une des faces de ladite lame à faces parallèles, traduisant lesdites impulsions électriques en ondes planes élastiques, dotées d'un mode vibratoire unique déterminé, excitatrices dudit matériau, un premier
récepteur recevant les signaux dudit émetteur et dudit transducteur-
émetteur-récepteur et les transmettant à des moyens d'affichage.
L'invention a pour objet un dispositif caractérisé en ce que les moyens d'affichage comprennent un oscilloscope numérique et des
moyens d'impression pour générer un oscillogramme.
L'invention a enfin pour objet un dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre un transducteur-récepteur couplé à l'autre face de ladite lame à faces parallèles et un second récepteur recevant les signaux de sortie de ce transducteur-récepteur et les transmettant auxdits moyens de visualisation, le transducteur-récepteur convertissant lesdites ondes en signaux électriques images. Le procédé selon l'invention permet donc une simplification
substantielle des opérations de mesurage.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques
et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en regard
des figures et parmi lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation de dispositif de mesure permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - les figures 2 à 4 sont des échogrammes d'exemples de caractérisation de matériau permettant d'expliciter divers aspects du
procédé selon l'invention.
Avant d'expliciter le procédé selon l'invention, un exemple de dispositif permettant sa mise en oeuvre va tout d'abord être décrit par référence à la figure 1. En soi, la configuration de ce dispositif est connue et peut être utilisée également pour effectuer des caractérisations
de matériaux selon les procédés de l'art connu.
La chaîne de mesure, illustrée par la figure 1, comprend un générateur 1 (Emetteur), par exemple le modèle KB AEROTECH UTA 4, un transducteurémetteur d'ondes longitudinales 3, par exemple le modèle PARAMETRICS Al1 OR, n 49737 (diamètre 6 mm), fréquence de fonctionnement 5 MHz; et un transducteur-récepteur 5. Pour les ondes longitudinales, on peut utiliser le modèle PARAMETRICS A 6095, n 10 304 (diamètre 13 mm), fréquence de fonctionnement 5 MHz et pour les ondes transversales, le modèle PARAMETRICS V155, n 0 68 024
(diamètre 13 mm), fréquence d'utilisation 5 MHz.
Les couplants entre le matériau 4, disposé entre le transducteur- émetteur 3 et le transducteur-récepteur 5, peuvent être du "Gel D" pour un transducteur à ondes longitudinales ou du "SOFRANEL
GEL" pour un transducteur à ondes transversales.
Si on utilise le modèle de générateur indiqué, son impédance est de 50 ohms, son atténuation de 3 dB et on règle le générateur
d'impulsions sur la position 3 de celui-ci.
On utilise également un récepteur 2 comprenant un étage atténuateur 20 et un étage préamplificateur 21. L'atténuation dans les
conditions précitées est typiquement de 4 dB et l'amplification de 40 dB.
Enfin, I'appareil de visualisation 7 peut être constitué par un oscilloscope numérique à deux voies, par exemple du modèle LECROY 9400. La première voie A, visualise les signaux reçus du récepteur 2 sur l'entrée EA de l'oscilloscope 7 et la seconde voie B, visualise les signaux
reçus du récepteur 6 sur l'entrée EB.
Pour fixer les idées, la base de temps est réglée à 2 us par division, l'amplitude du signal à 0,5 V par division et la fréquence
d'échantillonnage à 100 MHz.
L'oscilloscope 7 est couplé avantageusement à des moyens d'impression 8 ou similaires (appareil de photographie par exemple) en
vue d'obtenir un oscillogramme des deux traces.
Naturellement d'autres types d'appareils peuvent être utilisés. Ces précisions n'ont été apportées que pour fixer les idées et
mieux illustrer l'invention.
Le procédé de l'invention va maintenant être explicité.
Lors de mesures de vitesse moyenne de propagation d'une onde acoustique de type longitudinal, ainsi que lors de "mesures d'absorption", avec un appareillage de type rappelé ci-dessus, la Demanderesse avait systématiquement constaté l'apparition entre les signaux électriques attendus (échos), c'est-à-dire ceux prévus par la théorie, des signaux électriques intermédiaires qui modifiaient les signaux d'échos successifs de façon cumulative: plus le rang de l'écho était
grand et plus le signal d'écho était perturbé.
En outre, le signal électrique, visualisé sur l'écran cathodique de l'oscilloscope 7, dépendait de l'énergie absorbée et convertie par la
chaîne de mesure.
La figure 2 illustre le phénomène observé. La figure 2 est un oscillogramme visualisant deux traces: "Trace A" et "Trace B", obtenues pour deux énergies d'excitation. Les traces A et B sont les images d'impulsions ultrasonores, émises et converties par le transducteur 3 à
partir d'impulsions électriques générées par l'émetteur 1.
Le matériau 4 est un échantillon d'acier à blindage d'épaisseur 14,88 mm se présentant sous la forme d'une lame à faces parallèles. La trace A correspond à une énergie d'excitation égale à
0,2 #J et la trace B à une énergie d'excitation égale à 8 uJ.
Dans l'exemple décrit, les traces A et B proviennent de la même voie (entrée EA ou EB). On observe de gauche à droite, sur l'oscillogramme, les impulsions attendues, c'est-à-dire prévues par la théorie et qui se traduisent par des échos que l'on appellera dans ce qui suit "principaux":
Ech1, Ech2 et Ech3.
Cependant, on constate également la présence d'échos intermédiaires: Eil, Ei21, Ei22, Ei31, Ei32 et Ei33, comme repérés sur la trace A. Sur la trace B, on a simplement repéré ces échos intermédiaires par des flèches pour ne pas surcharger le dessin par de trop nombreuses références. On constate que, plus l'énergie d'excitation croît, plus l'intensité des échos intermédiaires croît également: ceux-ci sont donc bien représentatifs d'un phénomène physique réel et non d'artefacts ou
d'effets parasites liés aux matériels utilisés.
Pour expliquer ce phénomène surprenant, la Demanderesse a émis l'hypothèse qu'il existe une transformation des modes vibratoires
aux interfaces entre le matériau 4 et le milieu extérieur à celui-ci.
La Demanderesse a pu montrer que ces échos intermédiaires étaient parfaitement prévisibles, c'est-à-dire que leurs instants
d'apparition sont correlés aux instants d'apparition des échos principaux.
Ils dépendent des caractéristiques du matériau (nature et dimensions) et des conditions de mesures qui sont elles-mêmes tout à fait déterminables. Le procédé de l'invention tire parti de ce phénomène. Il utilise donc ces signaux intermédiaires, que l'on pourrait, a priori, considérer comme parasites et donc gênants, pour simplifier les
opérations de mesurage.
On va maintenant expliciter de façon plus détaillée, commment on peut caractériser un matériau selon la procédé de l'invention, ce à partir d'exemples particuliers. Naturellement, ces exemples ne peuvent en aucun cas constituer une limitation de la portée
de l'invention.
La figure 3 est un oscillogramme illustrant un premier
exemple.
La configuration expérimentale de la chaîne de mesure retenue est celle d'une fonction émission et réception séparée, avec des transducteurs contacts, c'est-à-dire celle illustrée par la figure 1. Le matériau est un échantillon d'acier d'épaisseur
14,865 mm.
La trace A est l'enregistrement de signaux images provenant d'un transducteur-récepteur de type T, la trace B est l'enregistrement d'un transducteur-récepteur de type L. Dans le cadre de cet exemple particulier, I'échelle verticale
est de 0,2 V par division et l'échelle horizontale est de 2,us par division.
Le temps to = 0, par convention.
Les échos ont été numérotés (1) à (11), qu'ils soient de type
"principal" ou "intermédiaire".
Les positions temporelles des différentes ondes ressortent du tableau suivant: A. Emetteur d'ondes de type T (trace A): A.1. signaux principaux de type T (2) 4,68/zs (7) 14,04 us A. 2. signaux secondaires de type L et L+T (1) 2,64 ps (3) 7,68 ps (4) 9,84 ps (5) 11,92,ps (11) 19,00 #s B. Emetteur d'ondes de type L (trace B): B.1. signaux principaux de type L (1) 2,56,us (3) 7,60,us (6) 12,64 is (10) 17,68,ps B.2. signaux secondaires de type L et L+T (2) 4,64 fs (4) 9,76 As (5) 11,84,ups (7) 13,96 us (8) 14,64 ps (9) 16,92 us (11) 18,96/ps Dans les deux cas, les ondes excitatrices sont des ondes
planes sous incidence nulle.
La position temporelle de chaque impulsion visualisée peut être calculée à partir de la vitesse de propagation des ondes de type L et
T.
La configuration expérimentale retenue permet de considérer que chaque face de la lame parallèle constituant le matériau (figure 1:4)
agit comme une source émettrice secondaire.
A titre d'exemple, dans le cas d'un émetteur et récepteur (figure 3) séparés, tous deux de type transversal, les signaux possibles apparaîtront sur les positions temporelles définies par les relations suivantes: TBR(2i-1,2j) = (2i-1)xEP/CT + (2j-2)xEP/CL (1) TBR(2i-2,2j- 1) = (2i-2)xEP/CT+ (2j-1)xEP/CL (2) avec EP = épaisseur de l'échantillon de matériau CT = vitesse moyenne de propagation d'une onde de type T CL = vitesse moyenne de propagation d'une onde de type
L.
i et jbJ représentent l'ordre des aller et retour dans la
lame de matériau 4.
Sur la trace A de la figure 3: - le temps de transit entre les impulsions (1) et (3)
correspond aux signaux secondaires issus de la réflexion (trajet aller-
retour) en ondes de type L: [TBR(O,3)-TBR(0,1)]; - le temps de transit entre les impulsions (1) et (4) correspond aux signaux secondaires issus des trajets en ondes T et L:
TBR(1,2)-TBR(O,1)];
- le temps de transit entre les impulsions (1) et (5) correspond aux signaux secondaires issus de trajets en ondes L et T:
[TBR(3,0)-TBR(1,0)];
etc... A partir de ces relations, il est donc possible de déterminer
les vitesses de propagation en ondes T et L dans le matériau (figure 1:4).
D'autre part, dans le cas de la trace B de la figure 3, émetteur et récepteur séparés de type L, les signaux possibles apparaîtront sur les positions temporelles définies par les relations suivantes: TBR(2i- 1,2j2) = (2i- 1)xEP/CL + (2j-2)xEP/CT (3) TBR(2i-2,2j-1) = (2i-2)xEP/CL + (2j-1)xEP/CT(4) - le temps de transit entre les impulsions (1) et (3)
correspond aux signaux principaux issus de la réflexion (trajet aller-
retour) en ondes L: [TBR(3,0)-TBR(1,0)]; - le temps de transit entre les impulsions (1) et (4)
correspond aux signaux secondaires en ondes L et T: [TBR(2,1)-
TBR(1,0)];
- le temps de transit entre les impulsions (1) et (5)
correspond aux signaux secondaires en ondes L et T: [TBR(1,2)-
TBR(1,0)];
- le temps de transit entre les impulsions (1) et (6) correspond aux signaux principaux en ondes L:[TBR(5,0)-TBR(1,01)]; etc... A partir de ces relations, il est donc possible de déterminer les vitesses moyennes de propagation en ondes T et L dans le matériau
(figure 1:4).
Le temps de transit en onde L sur signaux secondaires entre les impulsions (1) et (3), trace A, est égal à 5,04 ls. Il est à comparer au temps de transit en onde L sur signaux principaux: impulsions (1) et (3)
de la trace B, soit 5,04 ps.
Le temps de transit en onde T sur signaux principaux, entre les impulsions (2) et (7) de la trace A, est égal à 9,36 ls. Il est à comparer au temps de transit en onde T sur les impulsions (1) et (5) de la trace B, soit 9,28 ps. L'écart peut être imputé à l'élargissement du signal
principal impulsion (1).
Les systèmes ultrasonores de type émetteur-récepteur (fonctions confondues) sont industriel-lement plus utilisés. Les deux Il enregistrements illustrés par la figure 4: trace A et trace B
d'échogramme, illustrent cette configuration.
L'un (trace A) a été réalisé avec un système par immersion, onde de type L, sur une lame de verre d'épaisseur 18,25 mm, l'autre (trace B), en onde de type L et contact direct du transducteur sur une
lame en acier à outil d'épaisseur 13,5 mm.
On a repéré, comme précédemment les différents échos, principaux ou intermédiaires, de la façon suivante: - (1) à (7) pour la trace A; et (1) à (10) pour la trace B. Les fonctions temporelles des différentes ondes ressortent du tableau suivant: A. Emetteur d'ondes de tyle L (immersion: trace A) A.1. Signaux principaux de type L (2) 6,32,us (4) 12,60 As (7) 18,90,us A.2. Signaux secondaires de type L et L+T (3) 8,64 us (5) 14, 96/ps (6) 17,22/ls B. Emetteur d'ondes de type L (contact: trace B) B.1. Signaux principaux de type L (2) 4,68 #s (5) 9, 30 us (8) 13,92 ps B.2. Signaux secondaires de type L et L+T (3) 6,76 #s (4) 8,44 ps (6) 11,42,ps (7) 13,10/ls (9) 14, 98/Js (10) 15,82 ps Sur léchogramme de la trace A, l'échelle des temps
(horizontale) est de 21us/division et l'échelle verticale 0,2 V/division.
Sur l'échogramme de la trace B, I'échelle des temps est
identique 2 ps/division et l'échelle verticale 0,5 V/division.
Les ondes excitatrices sont des ondes planes à incidence nulle. Dans cette configuration, il est également possible de calculer la position temporelle TBR des diverses impulsions images (principales et secondaires) à partir des vitesses de propagation des ondes de type L ou T. TBR(2i,2j) = 2i x EP/CL + 2j EP/CT (5) TBR(2i-1, 2j-1) = (2i-1)xEP/CL+ (2j-1)xEP/CT(6) avec EP = épaisseur de l'échantillon en mètres CT = vitesse moyenne de propagation d'une onde de type T CL = vitesse moyenne de propagation d'une onde de type L Ainsi, sur la trace A, le temps de transit d'une onde de type T pour un aller-retour peut être déterminé entre les impulsions (2) et (6), soit 10,90ls, dans le cas de l'échantillon de verre, d'épaisseur 18,25 mm. De même, sur la trace B, le temps de transit d'une onde de type T pour un trajet aller-retour peut être déterminé entre les impulsions (1) et (4) ou (2) et (7), soit 8,44ps ou 8,32,ps dans le cas de
l'échantillon en acier d'épaisseur 13,50 mm.
Il est également possible de déterminer les vitesses de propagation à partir de toute autre combinaison entre les signaux images en tenant compte des relations précédentes, compte tenu de la
configuration expérimentale retenue pour l'opération de mesurage.
D'autre part, en tenant compte de la nature et de l'origine des impulsions traduites, il est possible de prévoir l'amplitude relative BR
des impulsions images traduites.
Ces relations sont d'une forme générale, permettant de différencier l'atténuation linéique, dépendant du trajet dans le matériau, des effets propres aux contacts et surfaces (Exemple: émetteur et récepteur séparés): BR(2i-1,2j-2) =ARx[A(2i-1)+AA2(2j-1)]x(B(2j-2)+AA4(2j-2)] (7) BR(2i-2,2j-1) =ARx[A(2i-2) +AA2(2j-2)]x[B(2j-1) +AA4(2-1)] (8) B13 AR amplitude relative d'entrée prise comme référence AA2 impédance relative pour les signaux de même nature que l'émetteur AA4 impédance relative pour les signaux associés A (2i-1) et A(2i-2) atténuation linéique dans l'échantillon des signaux ultrasonores de la même nature que l'émetteur B(2j-1) et B(2j-2) atténuation linéique dans l'échantillon de
signaux ultrasonores de nature différente à celle de l'émetteur.
Il est possible d'imaginer tout autre type de relation permettant de traiter la séparation entre les échanges liés aux dioptres séparant les milieux, des effets liés à la nature et géométrie du faisceau
de l'ébranlement élastique se propageant dans le matériau à caractériser.
A partir des mesures des temps de transit pour chaque type d'onde considéré et du trajet supposé (épaisseur traversée que l'on peut naturellement mesurer avec précision), il est possible de calculer les vitesses moyennes de propagation, puis connaissant la masse volumique du milieu (matériau), de déterminer, dans le cadre de la mécanique des milieux continus, diverses caractéristiques mécaniques propres au
matériau à caractériser.
A titre d'exemple, dans le cadre des hypothèses de la mécanique des milieux continus isotropes, il est possible de calculer par les relations suivantes du domaine public: E =-CT2(3CL2-4CT2)/(CL2-CT2), E module de YOUNG (9) V = (CL2-2CT2)/2(CL2-CT2), avecux coefficient de POISSON (10) fi =p CT2 (CL2/CT2 -2), avecAl et G coefficients de LAME (11) G =p CT2 (11bis) K =P (CL2-4/3CT2) avec K module de dilatation cubique (12) avecp = masse volumique du matériau
CT et CL ont été définis ci-dessus (voir (1) et (2).
On peut donc, conformément au procédé de l'invention, en n'effectuant qu'une seule série de mesures, c'est-à-dire, soit avec des ondes type T, excitant le matériau, soit avec des ondes de type L,
caractériser celui-ci.
Ladite caractérisation consiste à déterminer un certain
nombre de paramètres utiles qui lui sont associés.
Pour ce faire, on utilise le caractère discontinu (continu par morceaux) et additif des informations véhiculées par les signaux secondaires, afin de caractériser les matériaux à partir des ondes T et L synchrones, générées par le faisceau principal aux interfaces bornant les milieux (matériaux à étudier) et d'améliorer la sensibilité de détection des techniques utilisant les ébranlements élastiques. Le domaine d'applications couvre tous les matériaux véhiculant des ondes T et des techniques mettant en oeuvre les
ébranlements élastiques.
L'invention n'est naturellement pas limitée aux seuls exemples précisément décrits en relation, notamment, avec les figures 1 à 4.
D'autres applications peuvent également être envisagées.
Dans le cas des mesures et contrôles industriels à incidence nulle ou proche, les signaux secondaires polluant les échogrammes, I'utilisation d'un traitement du signal par comparaison et correction, dans les fenêtres temporelles de réception, permet la correction de certains artefacts expérimentaux et d'améliorer la sensibilité de détection. Ce type de traitement de signal est bien connu en soi et il est inutile de le
développer plus avant.
Il est également possible de créer des chaînes spécifiques
optimisées pour exploiter ces phénomènes.
Claims (13)
1. Procédé de caractérisation d'un échantillon de matériau (4) se présentant sous la forme d'une lame à faces parallèles, le procédé comprenant l'application d'impulsions d'ondes planes élastiques, sous incidence nulle, au travers du dioptre plan constitué par l'interface entre le milieu extérieur au matériau (4) et l'une desdites faces parallèles pour exciter ce matériau (4), cette application occasionnant une série d'échos (Echz, Ech2, Ech3) dus aux réflexions successives desdites ondes sur les faces parallèles de la lame de matériau (4), caractérisé en ce que lesdites ondes excitatrices sont d'un mode de vibration déterminé, unique, transversal (T) ou longitudinal (L) et en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes: - détection de signaux images d'échos intermédiaires (Ei1l à Ei33) produits par des changements partiels dudit mode de vibration déterminé aux passages successifs des dioptres plans formés par les interfaces entre les faces parallèles de ladite lame et le milieu extérieur au matériau (4), lesdits échos intermédiaires (Ei1l à Ei33) correspondant à des ondes selon les deux modes de vibrations, transversal (T) et longitudinal (L); - mesure de l'intervalle de temps séparant au moins une paire desdits échos intermédiaires, I'un des échos correspondant à une vibration en mode transversal, et l'autre à une vibration en mode longitudinal ou une combinaison des deux modes; et - détermination à partir de cet intervalle de temps d'au moins
un paramètre caractéristique dudit matériau.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre caractéristique est la vitesse de propagation des ondes dans le matériau (4) selon un desdits modes de vibration, transversal ou longitudinal.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure plusieurs desdits intervalles de temps séparant plusieurs paires d'échos intermédiaires, et en ce que l'on détermine à partir de ces intervalles de temps les vitesses moyennes (CT et CL) de propagation des ondes dans le matériau (4), selon lesdits modes de vibration transversal
et longitudinal respectivement.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, connaissant la masse volumique () du matériau (4) et l'épaisseur de ladite lame, on détermine des paramètres caractéristiques supplémentaires de ce matériau (4).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on détermine le module de YOUNG de ce matériau (4), E, conformément à la relation suivante: E =pCT2 (3 CL2 - 4CT2)/(CL2- CT2); relation dans laquelle: CT est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration transversal; CL est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration longitudinal;
p est ladite masse volumique du matériau (4).
6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on détermine le coefficient de POISSON du matériau (4), conformément à la relation 2 suivante:
) = (CL2 - 2 CT2)/2(CL2 - CT2)
dans laquelle: CL est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration longitudinal; CT est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde
selon le mode de vibration transversal.
7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on détermine les coefficients de LAME, net G, conformément aux relations suivantes: A =p CT2 (CL2/CT2 - 2) et G =jP CT2 dans lesquelles: CL est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration longitudinal; CT est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration transversal;
po est ladite masse volumique du matériau (4).
8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on détermine le module de dilatation cubique du matériau (4), K, conformément à la relation: K = oP (CL2 - 4/3 CT2) dans laquelle: CL est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration longitudinal; CT est ladite vitesse moyenne de propagation d'une onde selon le mode de vibration transversal;
p est ladite masse volumique du matériau (4).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,
caractérisé en ce que lesdits signaux images sont constitués par des signaux électriques issus de la conversion desdites ondes aux interfaces entre le matériau (4) et le milieu extérieur, en ce que ces signaux électriques sont visualisés sur un oscillogramme et en ce que les intervalles de temps séparant les échos intermédiaires desdites paires sont déterminés à partir de leurs positions temporelles respectives sur cet oscillogramme.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
9, caractérisé en ce que lesdites ondes sont des ondes ultrasonores ou
des ébranlements élastiques.
11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une
quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend
au moins un émetteur d'impulsions (1) électriques, un transducteur-
émetteur-récepteur (3), couplé à l'une des faces de ladite lame à faces parallèles, traduisant lesdites impulsions électriques en ondes planes élastiques, dotées d'un mode vibratoire unique déterminé, excitatrices dudit matériau (4), un premier récepteur (2) recevant les signaux dudit émetteur (1) et dudit transducteur-émetteur-récepteur (3) et les
transmettant à des moyens d'affichage (7).
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens d'affichage comprennent un oscilloscope numérique (7)
et des moyens d'impression (8) pour générer un échogramme.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11i-
ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un transducteur-
récepteur (5) couplé à l'autre face de ladite lame à faces parallèles et un
second récepteur (6) recevant les signaux de sortie de ce transducteur-
récepteur (5) et les transmettant auxdits moyens de visualisation, le transducteur-récepteur (5) convertissant lesdites ondes en signaux
électriques images.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9307412A FR2706617B1 (fr) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9307412A FR2706617B1 (fr) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2706617A1 true FR2706617A1 (fr) | 1994-12-23 |
| FR2706617B1 FR2706617B1 (fr) | 1995-08-11 |
Family
ID=9448311
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9307412A Expired - Fee Related FR2706617B1 (fr) | 1993-06-18 | 1993-06-18 | Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2706617B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006103400A1 (fr) * | 2005-03-29 | 2006-10-05 | Armourtest Limited | Ameliorations des vetements de protection ou s’y rapportant |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3416365A (en) * | 1965-09-28 | 1968-12-17 | Atomic Energy Commission Usa | Method of determining elastic properties of a metal sample |
| US3720098A (en) * | 1971-03-22 | 1973-03-13 | Atomic Energy Commission | Ultrasonic apparatus and method for nondestructively measuring the physical properties of a sample |
| SU815614A1 (ru) * | 1979-05-07 | 1981-03-23 | Институт Проблем Прочности Анукраинской Ccp | Ультразвуковой способ измерени МОдул юНгА |
| SU1065768A1 (ru) * | 1982-06-07 | 1984-01-07 | Московский Ордена Трудового Красного Знамени Горный Институт | Ультразвуковое устройство дл контрол качества материалов |
-
1993
- 1993-06-18 FR FR9307412A patent/FR2706617B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3416365A (en) * | 1965-09-28 | 1968-12-17 | Atomic Energy Commission Usa | Method of determining elastic properties of a metal sample |
| US3720098A (en) * | 1971-03-22 | 1973-03-13 | Atomic Energy Commission | Ultrasonic apparatus and method for nondestructively measuring the physical properties of a sample |
| SU815614A1 (ru) * | 1979-05-07 | 1981-03-23 | Институт Проблем Прочности Анукраинской Ccp | Ультразвуковой способ измерени МОдул юНгА |
| SU1065768A1 (ru) * | 1982-06-07 | 1984-01-07 | Московский Ордена Трудового Красного Знамени Горный Институт | Ультразвуковое устройство дл контрол качества материалов |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| A. MORO ET AL :: "Measurement of ultrasonic wave velocity in steel for various structures and degrees of cold-working", NDT INTERNATIONAL, vol. 13, no. 4, August 1980 (1980-08-01), GB, pages 169 - 175 * |
| DATABASE WPI Week 8201, Derwent World Patents Index; AN 82-A1498E * |
| M.W. GRIGG ET AL :: "Elastic moduli of solids - a method suitable for high temperature measurements", JOURNAL OF PHYSICS E. SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol. 19, no. 12, December 1986 (1986-12-01), BRISTOL GB, pages 1059 - 1063 * |
| SOVIET INVENTIONS ILLUSTRATED Section EI Week 8436, 17 October 1984 Derwent World Patents Index; Class S03, AN 84-224240/36 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006103400A1 (fr) * | 2005-03-29 | 2006-10-05 | Armourtest Limited | Ameliorations des vetements de protection ou s’y rapportant |
| GB2438356A (en) * | 2005-03-29 | 2007-11-21 | Armourtest Ltd | Improvements in or relating to protective clothing |
| GB2438356B (en) * | 2005-03-29 | 2008-07-09 | Armourtest Ltd | Improvements in or relating to protective clothing |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2706617B1 (fr) | 1995-08-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0904535B1 (fr) | Procede et dispositif de detection et de localisation de source sonore reflechissante | |
| CA2728745C (fr) | Dispositif acoustique de mesure localisee et sans contact des non-linearites elastique et dissipative et de la viscoelasticite | |
| JPH11108845A (ja) | 検査対象物の組成画像をリアルタイムで提供する方法 | |
| FR2883982A1 (fr) | Procede et dispositif d'imagerie utilisant des ondes de cisaillement | |
| Bloxham et al. | Combining simulated and experimental data to simulate ultrasonic array data from defects in materials with high structural noise | |
| JP4885631B2 (ja) | 超音波探傷装置および超音波探傷方法 | |
| JP2012108138A (ja) | 超音波プローブ並びに検査方法及びシステム | |
| EP0196713A1 (fr) | Procédé et appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore | |
| Humphrey | The measurement of acoustic properties of limited size panels by use of a parametric source | |
| EP2271928B1 (fr) | Procédé et dispositif de contrôle non-destructif par ultrasons de la porosité d'une pièce en matériau composite | |
| EP3044580B1 (fr) | Procédé de contrôle non-destructif par ultrasons d'une pièce par analyses d'échos | |
| US7562577B2 (en) | Acoustic testing apparatus for testing a laminate material and an acoustic testing method for testing a laminate material | |
| EP0197582B1 (fr) | Procédé et appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore | |
| FR2706617A1 (fr) | Procédé de caractérisation d'un matériau solide à l'aide d'ondes élastiques et dispositif pour la mise en Óoeuvre du procédé. | |
| Arciniegas et al. | Experimental simultaneous measurement of ultrasonic properties and thickness for defect detection in curved polymer samples | |
| Williams Jr et al. | Ultrasonic input-output for transmitting and receiving longitudinal transducers coupled to same face of isotropic elastic plate | |
| Imano | Optical observation method for ultrasonic field using the shadowgraph introducing pulse inversion averaging | |
| EP3612831B1 (fr) | Methode de mesure pour la determination des proprietes mecaniques de milieux initialement liquides ou mous et de leurs evolutions dans le temps | |
| EP1649449B1 (fr) | Procédé et dispositif d'imagerie par ondes acoustiques | |
| Bjorndal et al. | Acoustic methods for obtaining the pressure reflection coefficient from a buffer rod based measurement cell | |
| EP0196714B1 (fr) | Procédé et appareil d'exploration de milieux par échographie ultrasonore | |
| EP4067894A1 (fr) | Dispositif d'inspection acoustique et procédé d'inspection utilisant un modèle de propagation d'un champs d'onde inverse | |
| EP0297983B1 (fr) | Procédé et dispositif de mesure des paramètres de biréfringence acoustique d'un matériau par mesure de temps | |
| Brouwers et al. | Acoustic attenuation of cohesive sediments (mud) at high ultrasound frequencies | |
| Knauss et al. | Depth measurement of short cracks with an acoustic microscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20090228 |