Brevet FR2269716A1 — publié le 19751128

La présente invention concerne un dispositif perfectionné pour la détermination ponctuelle d'an moins une grandeur, telle que, par exemple, le coefficient de réflexion acoustique, caractérisant la surface de contact~entre deux matériaux. Plus précisément, le dispositif selon l'invention permet, en mettant en oeuvre une méthode dite 1'non destructive", la détermination ponctuelle d'une grandeur caractéristique d'un matériau qui peut éventuellement entre recouvert d'un second matériau. Pour effectuer une étude non destructive d'un ensemble de matériaux, il est connu d'émettre une onde acoustique de fréquence déterminée dans uüe direction sensiblement perpendiculaire aux surfaces de contact , ou interfaces entre les différents matériaux, et de déduire la valeur d'une grandeur caractéristique de ces matériaux, telle qu'une grandeur acoustique, en analysant la réflexion de l'onde émise sur les différents interfaces. L'inconvénient des dispositifs actuellement utilisés pour mettre en oeuvre une telle méthode, réside essentiellement dans la difficulté de différencier les unes de autres les différentes ondes réfléchies qui, de plus, peuvent interférer entre elles. En conséquence, l'analyse de ces ondes réfléchies s'avère longue et nécessite un appareillage complexe, ce qui accroît considérablement le cotit d'utilisation d'untel procédé. Le but principal de la présente invention est donc d'éliminer cet inconvénient en proposant un dispositif mettant en oeuvre la méthode indiquée cidessus, en évitant toute interfcrence entre les différentes ondes réfléchies nécessaires à la détermination d'une grandeur caractéristique de la surface de contact d'au moins deux matériaux L'invention pourra etre bien comprise et tous ses avantages apparat tront clairement à la lecture de la description d'un mode particulier, mais non limitatif, de réalisation de l'invention illustrée par les figures annexées dans lesquelles - la figure 1 illustre schématiquement le dispositif selon l'invention, - la figure 2 représente, vue en coupe, la sonde de mesure, - la figure 3 illustre schimatiquement le fonctionnement de la sonde de mesure 2, - les figures 4 à 6 représentent chacune un type de signal délivré par le trans ducteur de la sonde de mesure lors de l'étude de pièces composées de plusieurs matériaux, - la figure 7 représente schématiquement l'appareillage électrique associé à la sonde de mesure, - la figure 8 est une variante de la figure 7, et - la figure 9 représente les signaux obtenus avec l'appareillage de la figure 8. La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif selon I'invention, utilisé pour l'étude et le contrôle d'une pièce désignée dans son ensemble par la référence 1 et composée, par exemple, de trois matériaux distincts A, B et C, ayant des surfaces de contact, ou interfaces, sensiblement parallèles. Pour une meilleure compréhension de ce qui suit, on envisage, à titre d'exemple non limitatif, l'utilisation du dispositif selon l'invention pour déterminer les coefficients de réflexion acoustique des surfaces de contact entre des matériaux A, B et C, ainsi que des grandeurs. acoustiques de ces matériaux associées à ces coefficients de réflexion. Le dispositif comporte une sonde de mesure 2 appliquée, pendant la mesure, contre la surface extérieure de l'élément 1. Cette sonde de mesure porte un émetteur-récepteur 3 d'ultrasons qui sera décrit plus en détail en se référant à la figure 2. Cet émetteur-récepteur 3 est relié par des conducteurs 4 à un appareillage électronique schématisé en 5 et comportant, par exemple, un organe commandant séquentiellement le fonctionnement de l'émetteur-récepteur 3 et un organe de traitement des informations délivrées sous forme de signaux électriques par la sonde de mesure 2. La sonde de mesure est représentée en coupe sur la figure 2. L'émetteur-récepteur 3 est constitué d'un transducteur 6 du type piézoélectrique qui, à la réception d'un signal électrique provenant de l'appareillage 5 et transmis par le câble 4, émet une impulsion ultrasonore et qui, à la réception d'une impulsion ultrasonore, délivre un signal électrique transmis par le cible 4 à l'appareillage 5. Cet émetteur-récepteur 3, dont les diagrammes d'émission et de réception sont très directifs, émet des ondes acoustiques de fréquence comprise,de préférence,entre 0,5 MHz et 5 MHz. Le transducteur 6 est placé dans un bottier 7 contenu dans un logement 8 du corps 9 de la sonde de mesure 2. Un élément intermédiaire ou palpeur 10, solidaire du bottier 7, est interposé entre le transducteur 6, avec lequel il est en contact, et la surface extérieure de la pièce 1. La surface Il du palpeur 10 est telle qutelle s'applique parfaitement contre la surface extérieure de la pièce 1. Il sera également possible de constituer le boitier 7 et le palpeur 10 en une seule et même pièce, moulée directement autour du transducteur 6. Des moyens élastiques 12, constitués par exemple par un ressort, interposés entre le fond du logement 8 et un épaulement 13 du boitier 7, maintiennent le palpeur 10 en contact avec la surface extérieure de la pièce 1. Le fonctionnement du dispositif est indiqué ci-dessous L'appareillage 5 transmet séquentiellement, à une fréquence de récurrence déterminée et par l'intermédiaire du câble 4, un signal électrique au transducteur 6. Celui-ci, en réponse à ce signal, émet perpendiculairement à la surface exté rieurs de la pièce I une impulsion, ou onde ultrasonore incidente, qui se propage dans les matériaux A, B, C, et se réfléchit sur les interfaces de séparation entre ces matériaux. Le transducteur 6 délivre un signal électrique représentatif des impulsions réfléchies qu'il reçoit. Ce signal est transmis par le câble 4 à l'appareillage 5. La détermination des paramètres du dispositif selon Itinvention. est indiquée dans ce qui suit en se référant à la figure 3 qui représente schématiquement les principaux éléments du dispositif. On utilise les symboles suivants, désignant Il l'interface entre le transducteur 6 et le palpeur 10 12 l'interface entre le palpeur 10 et le matériau A 13 l'interface entre le matériau A et le matériau B 14 l'interface entre le matériau B et le matériau C Rl le coefficient de réflexion de l'interface Il R2 le coefficient de réflexion de l'interface 12 R3 le coefficient de réflexion de l'interface 13 R4 le coefficient de réflexion de l'interface 14 Zp l'impédance acoustique du palpeur lO ZA l'impédance acoustique du matériau A ZB ltimpédance acoustique du matériau B ZC ltimpédance acoustique du matériau C do l'épaisseur du palpeur lo dA l'épaisseur du matériau A d8 l'épaisseur du matériau B dC l'épaisseur du matériau C a le coefficient d'atténuation des ondes acoustiques dans le palpeur 10 ss le coefficient d'atténuation des ondes acoustiques dans le matériau A Y le coefficient d'atténuation des ondes acoustiques dans le matériau B # le coefficient d'atténuation des ondes acoustiques dans le matériau C On rappelle que, comme il est bien connu des spécialistes, le coefficient de réflexion acoustique en amplitude R de la surface de contact de deux matériaux X et Y, d'impédances acoustiques ZX et Zy respectivement, peut s > é- crise m étant l'indice relatif entre les deux matériaux, défini comme étant le rapport des impédances acoustiques. Une impulsion ultrasonore, émise par le transducteur 6, se réfléchit sur les interfaces Il, I2, I3, 14. Ces ondes réfléchies, ou échos, sont captées par le transducteur 6. Les valeurs des amplitudes des échos reçus par le transducteur 6 sont données ci-dessous, AM étant l'amplitude de l'impulsion ultrasonore émise par le transducteur 6. a) réflexion de l'impulsion incidente sur l'interface Une seule réflexion se produit sur cet interface à l'instant To et l'écho reçu par le transducteur 6 a pour amplitude la valeur A11 = . R1 (4) b) réflexions de l'impulsion incidente sur l'interface 12. Après des réflexions successives de l'impulsion incidente sur les in terfaces Il et 12 le transducteur recevra une succession d'échos A2l, A22 ... A2n aux instants T21 > T22 .... T2n Les amplitudes de ces échos ont pour valeurs Ces échos seront captés aux instants c) réflexions de la première impulsion incidente sur l'interface 13. Après des réflexions successives de la première impulsion incidente sur les interfaces I2 et I3 le transducteur recevra une succession d'echos A31 > A32 .. A3n aux instants T3l, T32 .. T3n Les amplitudes de ces échos ont pour valeurs Ces échos seront captés aux instants d) réflexions de la première impulsion incidente sur l'interface 14. Après des réflexions successives de la première impulsion incidente sur les interfaces 13 et 14 le transducteur recevra une succession d'échos A41 > A42 .... A4nss arrivant aux instants T4l, T42 .... T4n Les amplitudes de ces échos ont pour valeurs Ces échos seront captés aux instants e) de façon plus générale, les réflexions de la première onde incidents sur le nième interface se traduisent par des échos captés aux instants Tnl, Tn2 ... Tnn , ayant des amplitudes Anl = Qnî Rn (23) An2 = Qn2 Rn2 (24) """' Ânn = Qnn Rnn. (25) En pratique, les différents interfaces sont étudiés successivement en commençant par l'interface le plus proche de l'émetteur-récepteur 6, si bien qu'une seule réflexion de l'onde incidente sur l'interface étudié permet de déterminer la ou les caractéristiques cherchées. En effet, par construction, les valeurs Zp , a et do sont connues. La mesure de l'amplitude de 11 écho X l provenant de l'interface I2 permet de déduire la valeur du coefficient de réflexion R2 en utilisant la relation (5). D'après la relation (3) La connaissance de la nature du matériau A et de la valeur de ZA permet alors de déterminer la vitesse VA de propagation des ondes dans ce matériau. On peut alors effectuer l'étude de l'interface suivant 13 connaissant l'instant d'arrivée T31 de l'écho A31 , on en déduit I'épai9seur dA. La valeur de l'amplitude de l'écho A31 permet ensuite la détermination de R3 etc ... Le problème à résoudre est d'éviter les interférences entre les échos captés par le transducteur 6 et d'identifier chacun de ces échos. Pour cela, eut selon la présente invention, on utilise un palpeur 10 ayant une épaisseur do telle que certains au moins des échos reçus par le transducteur 6 et provenant de la réflexion de l'onde incidente sur un interface déterminé, arrivent au transducteur 6 dans l'intervalle de temps séparant l'arrivée au transducteur de deux échos successifs produits par la réflexion de l'onde incidente sur l'interface le plus proche, situé entre cet interface déterminé et le transducteur, ces deux échos étant de préférence ceux qui correspondent aux deux premières réflexions de l'onde incidente. La figure 4, sur laquelle on a porté en abscisse le temps t et en ordonnée l'amplitude A des ondes reçues, montre un exemple de signal délivré par le transducteur 6 sur lequel on peut voir de plus 10) que les signaux correspondant aux échos provenant des réflexions des ondes incidentes sur les interfaces I2, I3 et 14 n'interfèrent pas entre eux dans l'intervalle compris entre les signaux correspondant aux deux premiers échos de l'onde incidente sur le premier interface examiné, c'est-à-dire I2, 20) que les sommets des signaux correspondant aux échos provenant de la réflexion d'une onde incidents sur le même interface sont situés sur une- courbe dé croissant de façon exponentielle, 30) que les premiers signaux dont les sommets sont sur des courbes décroissantes différentes correspondent, dans l'ordre, à la première réflexion de l'onde incidente sur les interfaces successifs rencontrés par l'onde incidente, et 40) que deux échos A41 et A42 provenant de l'interface 14 sont situés entre les deux premiers échos A31 et A32 provenant de l'interface 13 eux-memes situés entre les deux premiers échos produits sur l'interface I2. De façon générale, si l'on appelle xu le nombre d'échos provenant de l'interface U, que l'on désire observer entre les deux premiers échos de l'interface précédent U-l, on a trouvé que lvépaisseur do du palpeur doit avoir une valeur égale à et doit vérifier les conditions formules dans lesquelles Vu désigne. la vitesse de propagation de l'onde acous tique dans le dernier matériau avant d'atteindre l'interface U, du désigne l'épaisseur de ce dernier matériau, les coefficients k sont des coefficients arbitraires dont les-valeurs sont comprises entre O et 1, V3 et d3 caractérisant le matériau directement en contact avec le palpeur d'épaisseur do. En pratique, les pièces à étudier sont rarement composées de plus de trois couches de matériaux différents et la détermination de l'épaisseur do du palpeur se trouve simplifiée. Lorsque la pièce 1 comporte deux matériaux A et B, on pourra choisir un palpeur dont ltépaisseur a pour valeur A désignant le matériau en contact avec le palpeur, on peut ainsi observer un échoA31 provenant de la réflexion de l'onde incidente sur l'interface délimité par les deux matériaux A et B, cet écho étant situé dans l'intervalle délimité par les deux premiers échos résultant de la réflexion de l'onde incidente sur l'interface palpeur-matériau A, comme le représente la figure 5. Vp Selon la nature du matériau du palpeur 10 le rapport V varie entre 5 VA 5 et 5. Il en résulte que l'épaisseur do sera choisie telle que 0,2 dA Lorsque la pièce 1 comporte trois matériaux A, B, C, l'épaisseur du palpeur 10 sera choisie telle que avec la condition Suivant la -nature du matériau constituant le palpeur, ces conditions peuvent s'écrire 0,4 dB ÀO,2 Les signaux observés sont alors du type de celui représenté par la figure 6. La figure 7 représente schématiquement l'appareillage 5 qui comporte un organe 14 commandant séquentiellement le fonctionnement de l'émetteur-récep- teur 6 de la sonde de mesure 2, en délivrant des impulsions de courte durée transmises à ltémetteur-récepteur 6, par l'intermédiaire du cable 15. Les signaux délivrés par la sonde sont transmis par un câble 16 à un circuit sélecteur d'impulsions 17. Ce dernier transmet, à un amplificateur 18 et par l'intermédiaire du câble 19, les signaux correspondant à la réflexion de Tonde incidente sur lin- terface I3. De la même façon, par l'intermédiaire de câbles 20, 21, etc., le sé lecteur d'impulsions transmet aux amplificateurs -22 > 22, 23, etc ... les impulsions provenant des interfaces I3, I4, etc ... Les signaux fournis par les amplifica -teurs 18, 22, 23 sont transmis par des conducteurs 24, 25, 26 à un organe de traitement des informations 27, comportant notamment desrcircuits de mesure des amplitudes des signaux délivrés par les amplificateurs et des circuits de détermination des instants d'arrivée de ces signaux. L'organe de traitement des informations 27 pouvant être de tout type connu délivre un signal représentatif de la grandeur cherchée dont la valeur peut être enregistrée et/ou visualisée dans un organe approprié 28. Pour améliorer ltobservation des signaux dans l'intervalle T21 - T22, on utilise des amplificateurs 18, 22, 23 à gains variables en fonction du temps, pour que les signaux de faible amplitude soient plus amplifiés que ceux ayant une grande amplitude. On utilise, par exemple, des amplificateurs à gains croissant, de préférence, exponentiellement en fonction du temps. Dans ce cas, les signaux délivrés par la sonde de mesure, correspondant à des réflexions sur un même interface, ont même amplitude. il est alors aisé de repérer tout signal parasite qui se superposerait à l'un des signaux utiles. De plus, pour que seuls soient visibles les signaux correspondant aux réflexions de l'onde incidente sur un interface déterminé qui atteignent le récepteur 6 entre les instants d'arrivée des deux premières réflexions de l'onde incidente sur l'interface précédent, on interpose entre les amplificateurs et organe de traitement des informations 27 des circuits de commande, tels que 29 et 30, figure 8. Le fonctionnement de l'appareillage 5 est alors le suivant A la réception du premier signal provenant du sélecteur 17 et amplifié par l'amplificateur 18, le circuit de commande 29 délivre un signal de commande qui met l'amplificateur 22 en état de fonctionnement. De la même façon, à la réception du premier signal provenant du sélecteur 17 et amplifié par l'amplificateur 22, le circuit de commande 30 fournit un signal de commande qui met l'amplificateur 23 en état de fonctionnement. A la réception du deuxième signal provenant du sélecteur 17 et amplifié par l'amplificateur 22, l'organe de commande 30 délivre un signal de commande qui interrompt le fonctionnement de l'amplificateur 23, tandis que le fonctionnement de l'amplificateur 22 est interrompu par le signal que délivre l'organe de commande à la réception du deuxième signal délivré par le selecteur 17 et transmis par l'amplificateur 18. Les signaux traités par l'organe de traitement des informations sont alors représentés par la figure 9. Ces signaux proviennent des réflexions de l'onde incidente sur les intervalles 12, 13 et 14 définis ci-dessus, l'épaisseur do du palpeur ayant été choisie pour observer quatre échos sur l'interface 14 et trois échos sur l'interface 12, les amplificateurs 18 > 22 et 23 ayant des gains croissant exponentiellement avec le temps, c 'est-à-dire de la forme G = a exp (bt). Les organes de commande tels que 29 et 30 pourront être de tout type connu et adaptés, par exemple, à modifier l'alimentation des amplificateurs qu'ils commandent. Le dispositif selon l'invention peut etre utilisé comme indiqué précédemment pour la détermination des caractéristiques acoustiques d'un matériau, telles que l'impédance acoustique. I1 pourra également être utilisé pour contre ler le contact entre deux matériaux constituant une même piece, tel que, par exemple, le contrôle de la qualité d'une soudure, ou pour déterminer l'épaisseur d'un film intermédiaire a l'interface de deux matériaux, etc... REVENDICATIONS 1. - Dispositif acoustique pour la détermination ponctuelle d'au moins une grandeur caractéristique de la surface de contact entre des matériaux distincts constituant une pièce, ces matériaux étant en contact suivant des surfaces sen siblement parallèles entre elles, ce dispositif comportant une sonde de mesure reliée par des conducteurs à un appareillage de traitement des informations et étant caractérisé en ce que la sonde comporte en combinaison a) des moyens d'émission séquentielle d'une impulsion ultrasonore incidente dans une direction sensiblement perpendiculaire aux surfaces de contact desdits matériaux, b) au moins un élément intermédiaire placé sur le trajet de ladite impulsion ul trasonore et interposé entre lesdits moyens d'émission et ladite pièce avec laquelle il est en contact suivant une surface sensiblement parallèle aux surfaces de contact des matériaux constituant ladite pièce, l'impulsion ul trasonore émise se réfléchissant successivement sur la surface de contact de l'élément intermédiaire avec ladite piece et sur les surfaces de contact des matériaux constituant ladite pièce, c) des moyens de réception des impulsions ultrasonores provenant d'au moins une réflexion de l'onde incidente sur lesdites surfaces de contact, ces moyens de réception étant adaptés à délivrer un signal électrique représentatif des im pulsions ultrasonores réfléchies, à la réception de ces dernières, ce dispositif étant de plus caractérisé en ce que les caractéristiques acoustiques dudit élément intermédiaire et sa dimension mesurée dans la direction d'émission de l'impulsion incidente ont des valeurs choisies arbitrairement pour qu'une au moins des impulsions ultrasonores provenant de la réflexion de lim- pulsion ultrasonore émise, sur la surface de contact de deux matériaux déterminés constituant ladite pièce, soit reçue par lesdits moyens de réception dans les intervalles de temps séparant les arrivées auxdits moyens de réception de deux réflexions successives de l'impulsion ultrasonore émise sur les surfaces de contact situées entre les moyens d'émission et ladite surface de contact des deux matériaux déterminés. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé encre que les caractéristiques acoustiques dudit élément intermédiaire et sa dimension mesurée dans la direction d'émission de l'impulsion incidente ont des valeurs choisies arbitrairement pour qu'au moins la première impulsion ultrasonore provenant de la réflexion de l'impulsion ultrasonore émise sur la surface de contact de deux ma tériaux déterminés constituant ladite pièce soit reçue par lesdits moyens de réception dans les intervalles de temps séparant les instants d'arrivée auxdits moyens de réception des impulsions provenant des deux premières réflexions de l'impulsion ultrasonore émise sur les surfaces de contact situées entre les moyens d'émission et ladite surface de contact des deux matériaux déterminés. 3. - Dispositif selon la revendication 2 pour la détermination ponctuelle drau moins une grandeur caractéristique de deux materiaux distincts constituant une pièce, caractérisé en ce que la dimension do dudit élément intermédiaire dans la direction d d'émission de llimpulsion acoustique est telle que 0,2 dA 4. - Dispositif selon la revendication 2 pour la détermination ponctuelle d'au moins une grandeur caractéristique de trois matériaux distincts constituant une pièce telle que dA > 0,2 dB , caractérisé en ce que la dimension do dudit élément intermédiaire dans la direction d'émission de l'impulsion acoustique est choisie pour avoir une valeur telle que 0,4 dB ltimpulsion acoustique, la valeur de la dimension d'un premier des matériaux de ladite pièce qui est en contact avec ledit élément intermédiaire et la valeur de la dimension d'un second matériau- de ladite pièce qui en contact avec le premier. 5. - Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit appareillage de traitement comporte un circuit sélecteur ayant autant de bornes de sortie qu'il existe de surfaces sur lesquelles l'impulsion acoustique émise se réfléchit, ce circuit sélecteur étant adapté à fournir, à la réception du signal délivré par la sonde de mesure, une pluralité de signaux de sortie, le signal apparaissant sur une borne de sortie correspondant à une fraction du signal délivré par la sonde et étant représentatif de la réflexion de l'impulsion acoustique émise sur une seule et même surface de contact, et un circuit de traitement desdits signaux de sortie relié aux bornes de sortie dudit circuit sélecteur. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit circuit de traitement est relié auxdites bornes de sortie du circuit sélecteur par l'intermédiaire d'amplificateurs à gains variables en fonction du temps. 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chacun desdits amplificateurs a un gain croissant exponentiellement en fonction du temps.