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Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/10 Page 1 sur 20 Licence Pro Métrolog

Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/10 Page 1 sur 20 Licence Pro Métrologie/Qualité - Initiation au contrôle des matériaux – D. KOLB Chapitre 2 : Contrôle par ULTRASONS Les ultrasons permettent un contrôle non destructif assez performant des pièces (essentiellement métalliques). On peut ainsi : - sonder des fissures, des cavités, des inclusions métalliques, des occlusions gazeuses, etc… - mesurer ou contrôler des épaisseurs de manière très simple et quand des techniques traditionnelles ne sont pas utilisables (exemple : contrôle de l'épaisseur résiduelle de la paroi d'une cuve contenant un produit corrosif) Le procédé est particulièrement indiqué pour des objets de forme géométrique simple (plaque, tube, etc.). I. GENERALITES sur les US 1. NATURE des US - Les ultrasons sont des vibrations mécaniques, de même nature que le son, mais de fréquences supérieures. - On rappelle que la longueur d'onde, la célérité (= vitesse de propagation) et la fréquence sont reliées par : f C T C = ⋅ = λ λ : longueur d'onde en m. f : fréquence de l'onde, en hertz (Hz) T : période de l'onde, en seconde (s) et T = 1 /f. C : célérité de l'onde, en m/s. Les valeurs de célérité des US dans les matériaux les plus courants sont consignées dans le tableau 1 de l'Annexe page 20/20 - En contrôle non destructif, pour qu'on puisse détecter un défaut, il faut que celui-ci ait une taille au moins égal à λ/2. C'est pourquoi, on utilise des fréquences élevées, comprises en général entre 1 et 20 MHz. 0,2 MHz 20 MHz Fréquence SONS ……SONS ……SONS …. Chauve-souris 50 kHz Contrôle industriel …. Licence Pro Métrologie/Qualité - Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/11 Page 2 sur 20 A.N : Calculer l'ordre de grandeur du plus petit défaut décelable dans un morceau d'acier pour ces 2 fréquences. Données : Cacier= 5900 m.s-1 Réponses : Pour f = 1 MHz, …………………………………………… Pour f = 20 MHz, …………………………………………… - En tant qu'ondes, les US suivent toutes les lois s'y rattachant : lois de Snell-Descartes, phénomène de diffraction, interférences,… 2. Les DIVERS TYPES D'ONDES ULTRASONORES: 2.1) Ondes de COMPRESSION : - Elles se propagent parallèlement à la direction de vibration. Figure 1 : Ondes longitudinales - Dans le cas de surfaces d'ondes planes (ce qui est le cas sur la figure 1), on parle alors d'ondes LONGITUDINALES. (O.L.) - Célérités des O.L. : La célérité de ces ondes (usuellement notée CL) dans un milieu homogène, isotrope et illimité, est indépendante de f mais dépend de la nature du matériau Exemples : Air (20°C) 340 m.s-1 Fer ≈5900 m.s-1 Eau (20°C) 1480 m.s-1 Cuivre ≈4700 m.s-1 Plexiglas ≈2700 m.s-1 Pour les matériaux solides, la célérité est liée à la masse volumique µ, au module d'Young E et au coefficient de Poisson σ par la relation : ( ) ( ) ( ) σ σ µ σ 2 1 1 1 − ⋅ + ⋅ − ⋅ = E CL - Ci-contre (figure 2) une image très simpliste d'un matériau solide. On comprend intuitivement le mécanisme de propagation et l'influence des caractéristiques (masses des atomes, "raideurs" des liaisons interatomiques) sur la vitesse de propagation. Figure 2 : Modèle élastique d'un solide. 2.2) Ondes de cisaillement : Figure 3 : Ondes transversales - La direction de vibration est perpendiculaire à la direction de propagation. - Dans le cas de surfaces d'ondes planes (ce qui est le cas sur la figure 3), on parle alors d'ondes TRANSVERSALES (O.T.). Licence Pro Métrologie/Qualité - Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/11 Page 3 sur 20 - Seuls les matériaux solides (éventuellement les fluides très visqueux) sont susceptibles de propager ce type d'ondes. - Célérités des O.T. : Exemples : Fer 3230 m.s-1 Cuivre 2260 m.s-1 Plexiglas 1430 m.s-1 Conclusion (par rapport aux CL) : CT ≈ ……….. On a également une relation en fonction des caractéristiques élastiques du matériau : ( ) σ µ + = 1 . . 2 E CT 2.3) Ondes guidées : Lorsque le milieu de propagation ne peut pas être considéré comme illimité, surtout dans les solides, les ondes sont alors guidées par les côtés limitant le milieu. En contrôle non destructif, on distingue en général deux types d'ondes guidées : a- les ondes de surface ou ondes de Rayleigh qui n'affectent que la surface du solide sur une profondeur de l'ordre de la longueur d'onde. Pour la plupart des matériaux on a approximativement CS = 0,9.CT. b- les ondes de plaque ou ondes de Lamb qui affectent toute l'épaisseur e d'une plaque quand cette épaisseur est de l'ordre de quelques longueurs d'onde. Contrairement aux différents cas ci-dessus, la vitesse de propagation dépend alors de la fréquence ; on dit qu'il y a dispersion. Figure 4 : Ondes de surface 3. Production des US. Pour créer une onde mécanique il faut une excitation mécanique : L’onde peut être générée par un impact ou une force vibratoire externe. L’onde se propage ensuite de proche en proche grâce à l'oscillation des particules autour de leur position au repos. Figure 5 : Production d'ondes US Plusieurs phénomènes permettent de produire des ondes US. Le plus utilisé est la piézo-électricité. La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique (effet inverse). L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie. Licence Pro Métrologie/Qualité - Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/11 Page 4 sur 20 3.1) L'effet direct. Figure 6 a) : Cristal libre. Figure 6 b) : Cristal sous contrainte. Figure 6 c) : Cristal non piézoélectrique. - Quand on exerce une pression sur une des faces de la lame de cristal (figure 6 a) Æ Les ions positifs se rapprochent globalement de la face B qui se charge donc positivement. Phénomène similaire pour la face A qui se charge négativement. - On montre que la différence de potentiel U qui se manifeste ainsi est proportionnelle à la pression appliquée. - Rq : La taille du cristal par rapport à sa structure cristalline est essentiel (voir figure 6 c). - Si un cristal piézoélectrique reçoit une pression acoustique alternative, il se met à vibrer de manière alternative et génère alors entre les 2 faces une tension alternative. Ce phénomène est utilisé lors de la réception d'une onde US par un palpeur. 3.2) L'effet indirect. - Si on applique une tension électrique entre les faces A et B d'un cristal du type de celui de la figure 6, les ions attirés ou repoussés vont contribuer à déformer le cristal. - La déformation est proportionnelle à la tension appliquée. - Si on applique une tension alternative à un cristal piézoélectrique, celui-ci se met à vibrer au même rythme que celui de la variation de la tension alternative. Ce phénomène est utilisé pour la génération des US par un palpeur. 3.3) Principaux matériaux piézoélectriques. - De nombreuses substances présentent l'effet piézoélectrique mais rares sont celles où le phénomène est important. - Exemples : - Quartz 2,3 pm/V (Pratiquement plus utilisé) - Titanate de baryum 190 pm/V - Titanate zirconate de plomb (PZT) 270 pm/V Figure 7 : Influence de l'application d'un champ électrique sur la structure cristallographique du PZT Pb2+ Ti4+ ou Zr4+ Licence Pro Métrologie/Qualité - Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/11 Page 5 sur 20 3.4) Constitution d'un palpeur ultrasonore. Un palpeur (Syn. Traducteur) ultrasonore est un dispositif permettant d'émettre et de recevoir des US. Figure 8 : Constitution d'un palpeur - La fréquence d'émission dépend de l'épaisseur de l'élément piézoélectrique. - Tension d'alimentation : 100 à 400 V généralement. - Dans le but d'avoir une amplitude de vibration maximale, on utilise le phénomène de résonance en prenant une épaisseur égale à la demi-longueur d'onde des OL qui se propagent dans la céramique. - Le niveau du signal à la réception est faible (∼ 10 mV) Æ Il faut amplifier le signal. Sur un appareil courant, le gain max est de 100 dB ce qui correspond à une amplification d'un facteur 105 ! (Sera revu au paragraphe II. Tableau 11) II. Quelques caractéristiques des ondes US 1. Champ d'un émetteur US. • En comparaison du son, les ultrasons sont relativement directifs (voir figure 9 ci-dessous) Figure 9 : Directivité des US • Pour quantifier la directivité d'un faisceau ultrasonore, on relève un diagramme de rayonnement I=f(θ). I : intensité ultrasonore. Correspond à une énergie par unité de surface et de temps (Unité : …………). Cela peut aussi être vu comme une …………………….(Unité : ………….) On montre que I=½.ρo.c.ω².X² ρo : masse volumique du milieu de propagation c : vitesse des US ω : :pulsation ω=2πf X : amplitude du mouvement des particules par rapport à leur position au repos. Plus concrètement, on dira que l'intensité I est proportionnelle au carré de l'amplitude du signal uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-2-controle-us-docs-etudiants-site.pdf