Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Dans cet article, une vision d’ensemble de la méthode de pulse-écho, très utilisée dans le domaine du contrôle non destructif pour caractériser mécaniquement les solides ou les liquides, est présentée. Les principes de base ainsi que les ondes utilisées sont communs au domaine médical, même si dans ce cas le transducteur ultrasonore est multi-éléments. Si a priori la méthode semble très simple, car elle repose sur une relation élémentaire (distance = vitesse x temps), un certain savoir-faire est nécessaire pour obtenir des caractérisations précises. Après une présentation du transducteur mono-élément et du banc de mesure classique couramment employé, les approches expérimentales les plus répandues sont détaillées et illustrées au travers de divers exemples.
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In this paper, an overview of the pulse echo method widely used in the field of nondestructive evaluation for mechanical characterization of solids or liquids is presented. The basic principles as well as the waves used are also found in medical field even if in this case the ultrasonic transducer is a multi-elements one. If the method seems very simple because it is based on an elementary relation (distance = velocity x time), its application sometimes needs some specific skills. After a presentation of the single-element transducer and the commonly used conventional measuring benches, the most common experimental approaches are detailed and illustrated with various examples.
Auteur(s)
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Didier LAUX : Docteur, maître de conférences habilité à diriger des recherches - IES (Institut d’Électronique et des Systèmes, UMR CNRS 5214), Université de Montpellier, France - 860, rue Saint Priest, bât 5, 34095 Montpellier, France - [email protected] - et par ordre alphabétique
-
Franck AUGEREAU : Docteur, maître de conférences - IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
-
Emmanuel Le CLEZIO : Docteur, professeur des universités - IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
-
Gilles DESPAUX : Docteur, professeur des universités - IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
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Jean-Yves FERRANDIS : Docteur, ingénieur de recherche habilité à diriger des recherches - IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
-
Eric ROSENKRANTZ : Docteur, maître de conférences - IES, Université de Montpellier, CNRS, Montpellier, France
INTRODUCTION
Si les relations fondamentales régissant la propagation des vibrations mécaniques et par conséquent des ultrasons sont établies depuis plus de 200 ans grâce aux travaux de d’Alembert ou de Lord Rayleigh, [AF3810] [AF3812] [AF3814], les applications n’ont vu leur essor qu’à partir de la première guerre mondiale, profitant de la découverte récente de la piézoélectricité par Pierre et Jacques Curie. Dès lors, les méthodes échographiques n’ont cessé de progresser et font aujourd’hui partie intégrante des méthodes de contrôle non destructif, par exemple dans le domaine du génie civil pour contrôler les édifices, mesurer des débits, contrôler le serrage, évaluer les contraintes résiduelles…[R1410] [R2265] [R4040] [IN8].
Grâce aux performances croissantes des ordinateurs, des microtechnologies et à l’avènement du numérique, il est maintenant possible de réaliser des transducteurs ultrasonores multiéléments [P3790] qui permettent un balayage spatial et une focalisation dynamique rapide. Profitant de ces avancées, les échographes médicaux fournissent aujourd’hui une visualisation haute résolution ultrarapide et tridimensionnelle. Par ailleurs des résultats quantitatifs en termes de modules élastiques peuvent être obtenus grâce aux élastographes pour détecter en particulier des signes de fibrose .
D’un point de vue de la physique de la matière et de la mécanique du solide, le lien existant entre les ondes ultrasonores et les modules élastiques permet d’établir de façon non destructive les lois de comportement des matériaux viscoélastiques au sens large. Cette alternative aux méthodes classiques de compression et de traction est indispensable dans de nombreux cas : petits échantillons, échantillons microstructurés, radioactifs, biologiques…
Après une présentation du transducteur ultrasonore monoélément piézoélectrique, les approches expérimentales par méthode de pulse-écho dédiées à la caractérisation fine des solides puis des liquides seront détaillées. L’accent sera mis sur les différentes ondes pouvant être exploitées (de volume, de surface, longitudinales, transverses…) ainsi que sur certains bancs de mesures spécifiques : approche en réflexion, transmission, réflectométrie à angles critiques, bancs dédiés aux mesures en fonction de la température…
Même si le sujet est traité de façon plutôt académique, le lecteur trouvera en fin de document divers résultats expérimentaux dans le domaine biomédical, agroalimentaire et nucléaire.
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KEYWORDS
Non-destructive testing | viscosity | solids | liquids | elastic moduli | pulse echo
DOI (Digital Object Identifier)
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Transducteur monoélément
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7. Glossaire
Onde ultrasonore ; Ultrasonic Wave
Une onde ultrasonore est une vibration mécanique de fréquence supérieure à 20 kHz. Dans le domaine du contrôle non destructif, on utilise plutôt des fréquences voisines du MHz. Pour certaines applications très ciblées visant à étudier de petits échantillons, les fréquences employées dépassent le GHz. Le terme d’« hypersons » est alors parfois employé.
Onde longitudinale ; Longitudinal Wave
Onde ou vibration pour laquelle la direction de propagation est colinéaire au déplacement mécanique. Le terme « onde de compression » peut aussi être utilisé.
Onde transverse ; Shear Wave
Onde ou vibration pour laquelle la direction de propagation est perpendiculaire au déplacement mécanique. Le terme « onde de cisaillement » peut aussi être employé.
Temps de vol ; Time of Flight
Temps mis par une vibration ultrasonore propagative pour parcourir une certaine distance. La mesure du temps de vol entre les signaux acoustiques permet de déduire leur vitesse de propagation. De nombreuses méthodes mathématiques sont consacrées à la mesure du temps de vol.
Viscosité de cisaillement ; Shear Viscosity
La viscosité dynamique de cisaillement permet de quantifier la résistance à un écoulement. Si cet écoulement est laminaire, elle est définie comme le rapport entre la contrainte de cisaillement et le gradient des vitesses. Lorsque la sollicitation est sinusoïdale de pulsation ω, la viscosité est définie comme le rapport entre le module de perte
et ω.
Viscosité de volume ; Bulk Viscosity
Viscosité apparaissant dans l’équation de Navier-Stockes et qui n’est pas prise en compte pour un fluide incompressible. Étant essentiellement reliée aux vibrations moléculaires, elle est particulièrement étudiée dans les gaz et les liquides. Cette viscosité particulière intervient fortement dans la description de l’atténuation des ondes ultrasonores dans les fluides.
Vitesse particulaire ; Velocity of Particules
La vitesse particulaire représente la vitesse d’oscillation des molécules ou des constituants de la matière...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RAYLEIGH (J.W.) - The Theory of Sound. - Vol I, II. Eds MacMilllan & Co (1877-1878).
-
(2) - CASTERA (L.) - Le FibroScan : un nouvel outil pour l’évaluation non invasive de la fibrose au cours des maladies chroniques du foie. - Hépato-Gastro, 14(2) (2007).
-
(3) - JUILLARD (J.) - Étude de la génération d’ultrasons par des ondes électromagnétiques. - Thèse de Doctorat. Commissariat à l’Énergie Atomique Centre Saclay, Université Paris VII Jussieu (1999).
-
(4) - FAESE (F.) - Génération d’ondes acoustiques de surface par différentes sources lasers : applications à la caractérisation sans contact de défauts. - Thèse de Doctorat. Université de Valenciennes (2013).
-
(5) - DESILETS (C.S.), FRASER (J.D.), KINO (G.S.) - The design of efficient broadband piezoelectric transducers. - IEEE Trans. Sonics Ultrason, SU-25 115-125 (1978).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Standard Practice for Measuring Ultrasonic Velocity in Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA - ASTM E494-15 - 2015
ANNEXES
MARTINOTY (P.), COLLIN (D.). Piezo-Rheometric Measuring Cell and Corresponding Piezo-Rheometer. US 20080236255 A1. WO 2006/018516.
SINHA (D.N.). – Non invasive identification of fluids by swept-frequency acoustic interferometry. Patent number 5767407. (1998).
HAUT DE PAGE
Disperse Software. Guided wave dispersion curve calculation. Developped by LOWE (M.J.S.) et al., Imperial College London NDT.
Cast3M – Logiciel de calcul par Éléments finis développé par le Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA).
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