Brevet FR2474696A1 — publié le 19810731

La presente invention due a M. Jean ROUGE, de THOMSOM-CSF, e-.. André RO__ de la D.T.C.N'.concerne un polarimètre acoustique destinî à mesurer l'anisotropie d'un solide par détermination de sa biréfringence acous- tique. Cette anisotropie étant induite par exemple par une contrainte acoustique. Il est connu que si un solide anisotrope reçoit à son entrée une onde acoustique polarisée linéairement, l'onde de sortie a généralement une polarisation ellip- tique. Cette ellipticité dépend du déphasage de l'onde entre les composantes de l'onde suivant les deux axes orthogonaux liés, qui sont l'axe lent et l'axe rapide. L'ellipticité dépend également de l'angle fait par la polarisation initiale avec les axes lent et rapide. Une mesure de polarisation se ramène donc à la détermination des axes lent et rapide et au déphasage introduit par le solide pour les composantes suivant ces deux axes. Dans le brevet français n 76.06925 publié sous le n 2.356.139 est décrit un polarimètre avec une sonde de mesure qui comporte un transducteur électro- acoustique,émettant l'onde acoustique polarisée reliée à un générateur de signaux électriques à une fréquence, qui peut être variée continûment ou périodiquement. La sonde comporte en outre, une lame biréfringente auxi- liaire placée derrière le transducteur émetteur et un montage ayant deux transducteurs électro-acoustiques sensibles respectivement aux composantes de polarisa- tion à 45 l'une de l'autre. Le solide à mesurer est introduit entre la lame biréfringente auxiliaire et le montage des transducteurs récepteurs. L'ensemble de la sonde est orientable et les paramètres de polarisation du solide sont mesurés à partir de signaux fournis successivement par les deux transducteurs récepteurs. Le polarimètre suivant l'art antérieur, présente l'inconvénient qu'il nécessite deux transducteurs récep- teurs, qui ne peuvent être simultanément alignés par rapport à l'onde incidente, ce qui peut être une source d'erreurs pour la détermination des paramètres. Le polarimètre suivant l'invention remédie à cet inconvénient par le fait qu'il ne comporte qu'un seul transducteur aligné par rapport à l'onde incidente. - Brièvement c'est un polarimètre acoustique pour la mesure de l'anisotropie d'un échantillon à faces sensiblement parallèles, permettant la détermination des directions de l'axe rapide O et de l'axe lent On, ainsi que l'angle de déphasage o', à une fréquence w0/2u,entre les composantes d'une onde acoustique transverse suivant les axes 0O et On, cette onde ayant traversée l'échantil- lon perpendiculairement à ses faces, le polarimètre comportant: une lame biréfringente de mesure d'axes rapides Ox1 et lent Oyl, un transducteur électro-acous- tique qui est fixé sur une face de la lame biréfrin- gente, la face opposée pouvant être mise au contact de la face d'entrée de l'échantillon, le transducteur émettant des ondes acoustiques polarisées sensiblement suivant un axe Ox2 situé à 45 de l'axe rapide 0x1 de la lame et étant relié à des loyens - nërateurs de signaux électriques haute fréquence 100,de pulsation:,: ouvant être variée manellement ou/et être:idulée en fréquence à la pulsation basse fréquence; caractérisé par le fait wue les ondes ayant traversé l'échantillon sont reçues par un transducteur unique fixé sur une monture et appuyé contre la face de sortie de l'échantillon que le transudcteur n'est sensible qu'à la composante de l'onde acoustique suivant Ox2 qui que l'ensemble formé par le transducteur d'émission, la lame de mesure et la monture du transducteur de réception peuvent tourner solidairement autour de Oz dans un mon- tage appelé "sonde", que les signaux électriques four- nis par le transducteur de réception sont appliqués à des circuits de réception fournissant à leur sor- tie un signal appliqué à un indicateur de zéro, que pour une pulsation de l'onde X = 0, une mesure de zéro lue sur l'indicateur 18 est obtenue si l'angle entre l'un des axes 0i et On avec l'axe Ox2 est nul, ce qui détermine l'orientation de O' à 900 près, qu'après rotation de la sonde de 450 et en faisant varier la valeur de la pul- sation de l'onde, le sens de la variation sur l'indi- cateur de zéro donne le signe du déphasage (0 et la discrimination entre axe lent et rapide de l'échantillon et la valeur ç0 est obtenue à partir des valeurs w0 et w1, pour laquelle l'indicateur est à nouveau à zéro. D'autres caractéristiques et avantages ressor- tiront le la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures qui représen- tent: - la figure 1, le schéma général du polarimètre suivant l'invention; - la figure 2, la sonde, comprenant un des transducteurs d'émission et de réception et une lame biréfringente - la figure 3, le montage mécanique de la sonde - la figure 4, les positions relatives des axes rapides de la lame biréfringente, de l'échantillon et la direction d'émission. La figure 1 montre schématiquement, suivant l'in- vention, un exemple de réalisation d'un polarimètre destiné à mesurer les paramètres d'anisotropie du solide à faces sensi- blement parallèles 5. Le solide 5 peut être introduit dans un ensemble appelé sonde de mesure. Cette sonde est com- posée d'une lame Qcoustiquement biréfringente 1 possé- dant deux faces terminales parallèles, dont les axes orthogonaux, rapide et lent, sont perpendiculaires à la direction de propagation des ondes acoustiques. Sur une face 10 dite face "d'entrée" se trouve fixé au moins un transducteur 2 émettant des ondes acoustiques trans- versales polarisées linéairement, l'axe de polarisation étant orienté à 450 de l'axe rapide de la lame 1. Sur l'autre face 11 dite face de "sortie" se trouve appli- qué l'échantillon 5 à étudier. Si le polarimètre opère en transmission, sur la face de l'échantillon opposée à celle sur laquelle est appliquée la face de sortie de la lame est appliquée le transducteur recevant les ondes acoustiques qui ont parcouru l'échantillon sui- vant un trajet simple: l'axe de polarisation du trans- ducteur 7 est orienté parallèlement à l'axe de pola- risation du transducteur d'émission 2, c'est-à-dire à 45 de l'axe rapide de la lame 1. Suivant une variante de l'invention, le polari- mètre travaille en réflexion sur la face arrière de l'échantillon. Dans ce cas le transducteur 2 est utili- sé successivement par commutation,en émission et en réception. L'ensemble d'émission 100 comprend un générateur de signaux en haute fréquence 3, dont la pulsation w peut être ajustée manuellement par un condensateur variable 8 par exemple. Par ailleurs le générateur 3 peut être modulé en fréquence à la pulsation p fournit par un générateur basse fréquence-4. On prend typiquement des fréquences w/2,r égale à 2 MHz et 2/2rr= 100 Hz. Dans une réalisation préféren- tielle le générateur 3 comporte un amplificateur à dé- coupage. Un fréquencemètre 6 permet ''affichage de la fréquence L'ensemble de réception 101 est également représenté sur la figure 1. Les signaux électriques fournis par le transduc- teur de réception 7,pour le polarimètre en transmission ou le transducteur 2 commuté en réception pour lé pola- rimètre en réflexion,sont amplifiés par l'amplificateur 15,multipliés dans le circuit multiplicateur 16 par le signal sinusoidal à la pulsation ç fournie par le géné- rateur 4. A la sortie du circuit multiplicateur 16 le signal est filtré par le filtre passe-bas 17 et appliqué à un indicateur de zéro 18. L'ensemble formé par la lame biréfringente 1 avec le transducteur d'émission 2 et la monture comportant le transducteur de réception, pour le polarimètre à transmission, peuvent être tournés autour de l'axe Oz de la dLrection de propagation. Cette rotation est re- pérée en 19, par rapport à l'échantillon qui ne tourne pas. Cette sonde est montrée par la figure 2 o l'on a indiqué les directions Ox1 et Oy1 respectivement de l'axe rapide et de l'axe lent de la lame 1. Le trans- ducteur d'émission émet des ondes polarisées suivant Qx2 à 45 de l'axe Oxl.Le transducteur de réception 7 reçoit les composantes de l'onde acoustique parallèles à Ox2. La figure 3 montre un exemple de réalisation de la monture mécanique.La lame biréfringente avec le transducteur d'émission 2 et la monture du transducteur de réception 7 sont montés sur deux pièces 31 et 32 dont on peut varier l'écartement. Ceci permet de mettre en contact le transducteur de réception 7 avec la face de sortie de la 'lame biréfringente 1 et d'interposer l'échantillon 5.L'a.ngle de rota- tion inférieur à 1200 est repéré sur une surface cylindrique d'axe oz. En absence de l'échantillon 5 le générateur haute fréquence 3 est ajusté par le réglage 8 pour fournir une pulsation de valeur moyenne wo telle que le dépha- sage 3o de la lame biréfringente ait la valeur: (1) o = (2k + 1) -n Dans ce cas la face de sortie de la lame 1 est au contact du transducteur de réception 7 et w prend la valeur w quand l'indicateur de zéro est bien à zéro. Ensuite, o on introduit l'échantillon 5 dont on recherche les directions des axes rapide et lent QO et On. On appelle (figure 4) -e l'angle entre les axes Ox1 et 0O. En absence de modulation de fréquence du générateur 3, la tension obtenue à l'entrée du circuit de multiplication 16 U1 est donnée par, %o étant le déphasage introduit par l'échantillon: U1 = U l+sinZ2OcosY + cos 20(oos20 eos(0 cos o-sinco sinMO) (2) o U est une constante proportionnelle à l'amplitude des ondes émises. Lorsque l'axe rapide de l'échantillon se trouve orienté parallèlement à Ox2, l'angle O est égal à z/4. Dans ce cas la tension U1 est donnée par: To U = U /1+os'Y=2U Icos] (3) D'après l'expression (1) la tension U est nulle et pourrait donc être lue sur un indicateur de zéro faisant suite au circuit 15. Pour améliorer la précision de la mesure, le polarimètre met en oeuvre une méthode de zéro utilisant la modulation de l'onde acoustique émise,de pulsation w,par la pulsation n de valeur plus faible de sorte que: w= wo (1 + Co + E sin St) = woA (4) o pour la recherche des axes d'anisotropie de l'échan- tillon o = O. Les déphasages Y et % de la lame 1 et de l'échantillon à la pulsation w ont pour expression: - Y =AM et X = A(5 (5) 2474696'. En posant Y1 = ol et en tenant compte des expressions (1), (4) et (5), la tension U1 donnée par (3) et dans laquelle Y0 est remplacé par Y devient en sortie du mul- tiplicateur 16: V = V 12 J1()sinnt I x sinSt (6) en utilisant un développement en série de fonctions de Bessel limité à la première fréquence, Vo étant proportionnel à U0. La valeur moyenne de cette tension obtenue grâce au filtre passe-bas 17 est nulle en fonction du temps. La recherche des axes d'anisotropie de l'échantillon est alors effectuée par rotation de la sonde autour de l'axe de propagation des ondes acoustiques jusqu'à l'annulation de la tension lue sur l'indicateur 18 à cette position 0 = rW/4 repérée par un trait 19 gravé sur la sonde, les axes d'anisotropie de l'échantillon sont à v/4 des axes d'anisotropie de la lame 1. La coïncidence des axes est ensuite obtenue par rotation de la sonde de w/4 dans un sens ou dans l'autre pour per- mettre la mesure du déphasage d'anisotropie dans l'échantillon. La direction des axes de l'échantillon 5 étant connu, il faut encore déterminer son déphasage 0o à la pulsation o0. La rotation de la sonde de 7/4 dans un sens ou dans l'autre par rapport à la position obtenue corres- pondant à la direction O = u/4 permet d'obtenir soit 0 = 0, soit 0 = f/2. La tension U1 donnée par l'expression (2) dans laquelle 0 et o sont remplacés par Y et suivant les égalités (5) devient: U1 = 2UOICOS (,- 2 X)I (7) 2474696 i En tenant compte des expressions (1), (4) et (5) et en posant I2 = (eo +o)l' la tension obtenue en sortie du multiplicateur 16 est égale à: Vj=VO sin[(2k + 1) Léo + _o (1+E_) + '2 sin St]1 x sinS2t (8) 2 2 2 La valeur moyenne de cette tension lue sur l'in- dicateur 18 est nulle pour (2k+l) o + o = 2 -(1 +GO) = 0 soit 0 = +(2k + 1) f o - el avec w1 = o(l + o) (9) wl On obtient donc la valeur du déphasage o de l'échantillon à partir de la valeur 1 obtenue en faisant varier par la commande 8 la fréquence du générateur 3 jusqu'à l'annulation de la tension lue sur l'indica- teur 18. Si la tension est annulée avec 0>0 l'axe rapide de l'échantillon est parallèle à la direction de réfé- rence Ox1; dans ce cas, d'après l'expression (9),.la pul- sation. w1 est inférieure à 0 et 0 =0. En revanche si la tension est annulée avec o tillon est parallèle à Ox, la pulsation w1 est supé- rieure à w0 et O = n/2. Pour la méthode par réflexion la procédure est identique sauf que tous les déphasages sont doublés et pour que la lame biréfringente joue le même rôle qu'en trans- mission il faut diviser 0 par 2. 2474696, On a décrit ainsi un polarimètre acoustique qui fournit des mesures de la biréfringence acoustique avec une précision améliorée et une plus grande sim- plicité que ceux connus par l'art antérieur. 2474696i REVENDICATIONS 1 - Polarimètre acoustique pour la mesure de l'anisotropie d'un échantillon (5) à faces sensiblement parallèles, permettant la détermination des directions de l'axe rapide O et de l'axe lent on, ainsi que l'angle de déphasage iD à une fréquence w-/2r, entre o les composantes d'une onde acoustique transverse suivant les axes 0F et On, cette onde ayant traversé l'échan- tillon (5) perpendiculairement à ses faces, le polari- mètre comportant une lame biréfringente de mesure (1) d'axes rapides Ox1 et lent Oy1, un transducteur électro- acoustique (2) qui est fixé sur une face (10) de la lame biréfringente (1) , la face opposée pouvant être mise au contact de la face d'entrée de l'échantillon (5), le transducteur (2) émettant des ondes acoustiques polari- sées sensiblement suivant un axe Ox2 situé à 45 de l'axe rapide Ox1 de la lame et étant relié à des moyens géné- rateurs de signaux électriques haute fréquence (100), de pulsation w, pouvant être variée manuellement ou/être modulée en fréquence à la pulsation basse fréquence S; caractérisé par le fait que les ondes ayant traversé l'échantillon (5) sont reçues par un transducteur unique (7) fixé sur une monture et appuye contre la face de sor- tie de l'échantillon (5) que le transducteur (7) n'est sensible qu'à la composante de l'onde acoustique suivant Ox2, que l'ensemble formé par le transducteur d'émission (2), la lame de mesure (1) et la monture du transducteur de réception (7) peuvent tourner solidairement autour de Oz dans un montage appelé "sonde", que les signaux élec- triques fournis par le transducteur de réception (7) sont appliqués à des circuits de réception (101) fournissant à leur sortie un signal appliqué à un indicateur de zéro (18), que pour une pulsation de l'onde w=w 0,une mesure il de zéro lue sur l'indicateur (18) est obtenue si l'angle entre l'un des axes 0i ou On avec l'axe Ox2 est nul, ce qui détermine l'orientation de 0i à 900 près, qu'après rotation de la sonde de 450 et en faisant varier la valeur de la pulsation de l'onde, le sens de la variation sur l'indicateur de zéro (18) donne le signe du déphasage 40 et la discrimination entre axe lent et rapide de l'échantillon (5) et la valeur 0 est obte- nue à partir des valeurs 0 et w1, pour laquelle l'in- dicateur (18) est à nouveau à zéro. 2 - Polarimètre acoustique suivant la revendica- tion 1, caractérisé par le fait que le générateur haute fréquence (3) à la pulsation w étant modulé en fréquence par un générateur (4) à la pulsation s2 et que le cir- cuit de réception comporte un amplificateur (15), le signal amplifié étant appliqué à un circuit multipli- cateur (16) qui reçoit également le signal fourni par le générateur de pulsation Q2 (4) et qu'à la sortie du circuit multiplicateur (16) le signal est filtré par un filtre passe-bas (17) relié à l'indicateur de zéro (18). 3 - Polarimètre acoustique suivant une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la longueur de la lame de mesure (1) est telle qu'elle introduit un déphasage O égal à un nombre entier impair de r pour la haute fréquence de pulsation % qui annule le signal de sortie en l'absence d'échan- tillon. 4 - Polari.nàètre acoustique suivant une quelcon- que des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la sonde de mesure est montée dans un support per- mettant sa rotation, d'un angle d'au moins 120 autour de son axe géométrique et comportant une surface cylin- drique avec un repère de position angulaire. - Polarimètre acoustique suivant la revendi- cation 4, caractérisé par le fait que la lame de me- 2474696i sure (1) qui supporte le transducteur d'émission (2) est montée dans une pièce (31) que le support du transduc- teur de réception est monté dans une autre pièce (32.), ces deux pièces (31, 32)faisant partie du support de la sonde peuvent se déplacer l'une par rapport à l'autre parallèlement à Oz, permettant des mesures en présence et en absence de l'échantillon (5). 6 - Polarimètre acoustique suivant la reven- dication 4, caractérisé parle fait que le transducteur récepteur (7) est solidaire de la même face de la lame (1) que le transducteur émetteur (2), le polarimètre fonctionnant en réflexion sur la face de sortie de l'échantillon (5). 7 - Polarimètre acoustique suivant la reven- dication 6, caractérisé par le fait que le transduc- teur récepteur est confondu avec le transducteur émet- teur. 8 - Polarimètre suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la lame biréfringente (1) est dans un matériau, dans le groupe formé par les quartz, les céramiques ferro-électriques et les métaux étirés. 9 Polarimètre suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le générateur haute fré- quence comporte un amplificateur à découpage.