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Sommaire I. Introduction.......................................................

Sommaire I. Introduction...................................................................................................................................3 II. 8.2. Le principe de la méthode de contrôle par ultras..................................................................3 III. Emission et réception des ultrasons..........................................................................................4 1. Création des ondes de pression.................................................................................................4 2. L’effet piézoélectrique................................................................................................................5 3. La nature de l’onde ultrasons émit............................................................................................6 4. La nature de l’onde ultrasons reçut...........................................................................................7 IV. Propagation et transmission des ondes des ultrasons....................................................7 1. Caractéristiques d’une onde sinusoïdale.............................................................................7 2. Impédance acoustique............................................................................................................8 3. L’atténuation..............................................................................................................................8 4. La diffraction..............................................................................................................................9 5. La diffusion.................................................................................................................................9 6. L’absorption.............................................................................................................................10 7. La réflexion...............................................................................................................................10 8. La réflexion et réfraction d’une onde sonore..........................................................................11 9. Effet de la géométrie de l’interface...........................................................................................11 10. Effet d’Echo de coin..............................................................................................................12 11. Effet de bond........................................................................................................................12 V. Les matériels ultrasonores...........................................................................................................12 1. Le traducteur.............................................................................................................................12 a. Les composons d’un traducteur........................................................................................12 b. Les types de traducteur........................................................................................................13 c. Les focalisations du traducteur...........................................................................................14 2. Le câble coaxial........................................................................................................................15 3. L’appareil ultrasonore..............................................................................................................16 4. Block d’étalonnage...................................................................................................................18 a. Bloc d’étalonnage (V1).........................................................................................................18 b. Bloc d’étalonnage (V2).........................................................................................................18 5. Blocks de référence..................................................................................................................19 6. Milieu de couplage...................................................................................................................19 VI. Les techniques de contrôle par ultrasons................................................................................19 1. Le contrôle par contacte..........................................................................................................19 2. Le contrôle par immersion........................................................................................................20 VII. Les méthodes de contrôle par ultrasons.................................................................................20 1. Méthode de contrôle par écho d’anomalie.............................................................................20 a. Recherche de défaut proche de la surface avec des traducteurs émission réception séparée.........................................................................................................................................21 2. Méthode de contrôle par transmission...................................................................................21 VIII. Conclusion...........................................................................................................................22 I. Introduction Le son n'est autre qu'une onde de vibration mécanique qui fait intervenir les particules d’un milieu liquide ou solide, dit de propagation. Sous l'action de cette onde les points matériels effectuent un mouvement de va-et-vient, en général de faible amplitude, autour de leur position moyenne. Le son est audible dans un intervalle de fréquence compris entre 1 MHz et 5 MHz, variable suivant l’épaisseur et la nuance du matériau. L’ultrason s’inscrit sous le terme générique de vibrations acoustiques, car il ne diffère ni par leur nature, ni par leurs modes de propagation, ce qui permet de les traiter de la même façon. Un peu plus d'un siècle s'est écoulé depuis les premières expériences sur les ultrasons par Galton en 1883. Celui-ci, grâce à son sifflet, produisit des vibrations justes au-dessus des fréquences audibles. Pendant trente ans les ultrasons resteront une curiosité assez mal connue dont on n'imaginait pas d'autres applications que le sifflet à chien. L'intérêt pour ces vibrations a été éveillé par la catastrophe du Titanic en avril 1912. A cette occasion, Richardson entrevoit la possibilité d'utiliser une méthode d'écho ultrasonore pour la détection d'obstacles immergés comme les icebergs, les épaves, récifs et autres écueils océaniques. Cette idée prend corps durant la Première Guerre mondiale pour le repérage des sous- marins ennemis et un système de détection rudimentaire, mais somme toute opérationnel, est mis au point par Langevin, utilisant le phénomène de la piézoélectricité. C'est l'ancêtre du sonar, imitation du radar pour les déplacements en mer. Les ultrasons se développèrent par la suite en bénéficiant des progrès parallèles de l'électronique. En 1925, grâce à Pierce, les ultrasons atteignent des fréquences de quelques mégahertz. Puis en 1932, les équipes de Debye et Sears, d'une part, de Lucas et Biquard, d'autre part, travaillant indépendamment l'une de l'autre, réalisent les premières expériences de diffraction de la lumière par les ultrasons et vérifient les prédictions théoriques de L. Brillouin faites en 1922. La propagation des ultrasons, d'abord limitée aux fluides, s'étend ensuite aux solides. L'utilisation des ultrasons pour la détection des défauts dans les matériaux denses remonte aux travaux de Sokolov en 1934, qui peuvent être considérés comme les premiers pas en contrôles non destructifs (CND). Les sons sont classifiés en quatre catégories, selon leur fréquence: - Infrasons 0-20 Hertz - Sons audibles 20 Hz-20 kHz - Ultrasons 20 kHz-1 GHz - Hyper sons >1GHz Les ultrasons sont des ondes élastiques dont la fréquence est comprise entre 20 kHz et quelques mégahertz. Le transducteur est composé d’un émetteur et d’un récepteur constitués de matériaux piézoélectriques. Le signal réfléchi sur la cible est très atténué par le milieu en fonction de la distance de la cible. II. 8.2. Le principe de la méthode de contrôle par ultras L’onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel élastique et déformable pour se propager. Elle consiste en une propagation de proche en proche d’une déformation qui provoque localement des variations de pression et des oscillations des molécules autour de leur position d’équilibre. L’onde sonore est une onde de pression longitudinale, les molécules vibrant dans la direction de propagation de l’énergie. Le passage de l’onde induit des zones de détente et compression. L’onde sonore est définie par sa longueur d’onde λ et sa fréquence f qui sont liées par la relation. La méthode de contrôle ce compose de trois phases principales : - L’excitation : c’est l’application de l’onde ultrasons sur le matériau à contrôlé - Le perturbation : c’est la quantité de l’énergie transmit ou réfléchie III. Emission et réception des ultrasons 1. Création des ondes de pression On rappelle que les ondes sonores sont des ondes mécaniques longitudinales caractérisées par des fluctuations de densité et de pression. La longueur d’onde et la fréquence sont caractéristiques d’un son alors que la célérité dépend du milieu traversé. Ainsi la vitesse de propagation augmente avec la cohésion moléculaire du milieu. Le tableau suivant présente les valeurs de la célérité de l’onde suivant le milieu de propagation : - L’observation : c’est l’interprétation de l’oscillogramme donné par la machine Figure 1:Le principe de la génération d’une onde sonore Figure 2:La propagation des ondes sonores 2. L’effet piézoélectrique L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Son principe est que certains matériaux, comme les cristaux de quartz, ont la propriété de se charger lorsqu'ils sont comprimés et, inversement, de se déformer (comprimer) lorsqu'ils sont chargés. Les transducteurs contenus dans les sondes d'échographie sont généralement des céramiques de Plomb Ziconate de Titane (PZT). En appliquant un courant alternatif sur un cristal piézoélectrique, le cristal se comprime et se décomprime alternativement et émet un son dont la fréquence dépend des caractéristiques du cristal. Le même élément est utilisé pour transformer en courant électrique les ultrasons qui reviennent vers la sonde après avoir été réfléchis. La sonde n'émet donc pas des ultrasons en continu, mais en salve. Pendant le reste de temps, la sonde est « à l'écoute » pour capter les ultrasons. La durée des salves est très courte, de l'ordre de quelques microsecondes, et correspond à l'émission de trois cycles environ en moyenne. La durée de la période d'attente est plus longue, de l'ordre de la milliseconde. La fréquence de répétition du cycle est donc de l'ordre du kHz, ce qui donne l'impression d'un oscillogramme en temps réel. 3. La nature de l’onde ultrasons émit En observant la forme sinusoïdale de la figure ci-après, et en se basant sur le modèle de l’onde progressive, on définit une onde sonore de propagation par : Δp = Δp0 sin (k x - ω t) k=2π λ et ω=2 π T Figure 3 : Le principe de l’effet piézoélectrique Figure 4 : L’émission et la réception de l’onde sonore Figure 5 : L’onde émit se comporte comme oscillateur non amorti 4. La nature de l’onde ultrasons reçut L’onde sonore se comporte dans le solide comme un oscillateur amorti à cause des phénomènes physiques comme (l’absorption, diffusion, diffraction, …) Figure 6 : L’onde reçut se comporte comme oscillateur amorti IV. Propagation et transmission des ondes des ultrasons 1. Caractéristiques d’une onde sinusoïdale L’onde peut être générée par un impact ou une force vibratoire externe. Donc elle provoque l’oscillation des particules autour de leur position au repos alors elle se propage à une vitesse qui dépend du mode vibratoire et des propriétés élastiques du matériau. Onde longitudinale : Déplacement des particules parallèle à la direction de la propagation. Ces types des ondes sont utilisés pour les traducteurs droits. Figure 7 : Propagation longitudinale des ondes dans la matière contrôlée 2. Impédance acoustique - Les matériaux ayant de grandes impédances acoustiques sont dits « durs » - Les matériaux ayant de faibles impédances acoustiques sont dits « mous » 3. L’atténuation Le son des fréquences les plus élevées est plus facilement absorbé et diffusées que les ondes de fréquences plus basses. C’est pourquoi ont utilise les ondes de forte amplitude (~ 4 MH) pour contrôler les pièces de faible épaisseur (de 8 à 25 mm) et les ondes de faible amplitude (~2 MH) pour le contrôle des pièces de forte épaisseur (de 25mm et plus). 4. La diffraction Figure 8 : Atténuation des ondes ultrasonores La diffraction est due à la divergence du faisceau ultrasonore dans le matériau à contrôler : Figure 9 : Faisceau d’un traducteur 5. La diffusion La diffusion de l’onde ultrasons correspond à l’absolution dans toutes les directions de l’espace d’une fraction minime de l’énergie ultrasonore. Elle dépend de la taille des structures internes des organes et de son rapport à la longueur d’onde : • Diffusion directionnelle si Φ > λ • Diffusion antérieure et postérieur si Φ = λ • Diffusion omnidirectionnelle si Φ << λ Figure 10 : Propagation des ondes dans la matière contrôlée 6. L’absorption Elle est due à la transformation de l’énergie uploads/Geographie/ le-controle-par-ultrasons.pdf