Brevet FR2524645A1 — publié le 19831007

POLARIMETRE ACOUSTIQUE. L'objet de la présente invention est un polarimètre acoustique permet- tant de déterminer la biréfringence acoustique d'un solide à faces parallèles, pour une direction des ondes acoustiques perpendiculaire aux faces parallè- les. La méthode d'analyse des contraintes, par biréfringence optique indui- te dans un solide transparent est utilisée couramment sous le nom de photo- élasticimètrie Cette méthode peut être transposée aux solides non transpa- rents comme les métaux avec l'acousto-élasticimétrie, basée sur la biréfrin- gence acoustique des solides. La biréfringence acoustique est la conséquence de l'anisotropie élasti- que présentée par la plupart des solides, qu'elle soit d'origine structurale ou induite par des contraintes ou les deux combinées Comme en optique, cette biréfringence acoustique est caractérisée par deux axes principaux lent et rapide perpendiculaire à la direction de propagation et liés à la vitesse des ondes acoustiques transversales polarisées parallèlement à ces axes Deux paramètres suffisent à la déterminer: l'orientation 6 de l'axe rapide par rapport à une direction de référence et le déphasage 't entre les ondes lente et rapide après la traversée du solide. Il est connu par le brevet français N O 7441311 et son addition N O 7536446, de déterminer les paramètres Yf et O d'une lame à faces parallèles en disposant de deux transducteurs près de la face d'entrée de cette lame. Les transducteurs émettant ou recevant des ondes polarisées à 900 l'une de l'autre à la fréquence angulaire w Les ondes émises sont modulées à une fréquence angulaire dite basse fréquence, pour obtenir une polarisation émise par l'ensemble des deux transducteurs qui tourne à la fréquence angulaire n Les signaux reçus par les deux transducteurs sont traités dans des circuits qui reçoivent également les signaux à la fréquence angulaire w déphasés de * par un déphaseur manuel En agissant sur ce déphaseur on peut obtenir par affichage la valeur de 'P, O étant obtenu par détection synchrone d'un signal à la fréquence angulaire Q Le dispositif a le désavantage d'exiger un ajustement du déphaseur à une valeur prédéterminée, ce qui nécessite un étalonnage précis De plus la valeur de f n'est pas obtenue directement. Le polarimètre, suivant l'invention présente l'avantage par rapport à l'Art Antérieur de fournir directement sans ajustement de P les paramètres 'F et e et elle facilite ainsi l'utilisation de l'acousto- élasticimètrie en mécanique, alors que les méthodes connues ne pouvaient être appliquées que dans des laboratoires spécialisés. Suivant la caractéristique principale de l'invention c'est un polarimètre acoustique, pour déterminer les paramètres de biréfringence 9 et 'f d'une lame à faces parallèles, cette lame étant fixée sur la face terminale d'un corps allongé isotrope à faces parallèles, réalisé dans un matériau propa- geant des ondes acoustiques de fréquence w 12 r et que sur l'autre face terminale de ce corps est placée une paire de transducteurs ayant leurs axes de polarisations transversales linéaires à 900 l'un de l'autre et que les signaux électriques appliqués sur le premier et le deuxième transducteur sont respectivement de la forme cos 52 t cos W t et sin ? t cos W t, o /2 7 r est une basse fréquence (s 2 "w), que des signaux xl et y 1 sont reçus par les deux transducteurs après réflexion sur la face arrière de la lame biréfrin- gente, que ces signaux x 1 et y, sont multipliés par le signal cos(wt-q) fourni par un déphaseur, ces signaux traités et filtrés fournissant des signaux X et Y; caractérisé par le fait que les signaux X et Y sont multipliés tous les deux par cos N t et sin 2 t et qu'un amplificateur différentiel fournit le signal alternatif A tel que A = X sin at-Y cos 2 t et qu'un second amplifica- teur différentiel fournit le signal alternatif B tel que: B = X cos 2 t Y sin Q t mesurés respectivement par des voltmètres alternatifs et que des moyens permettent en agissant successivement sur le déphaseur d'annuler les signaux A et B et d'obtenir ainsi des signaux AB, valeur de l'amplitude de A, A 1 pour B = 0 et BA, valeur de l'amplitude Bl pour A = O et que Il est déterminé à partir de ces valeurs par la relation tg'I= AB/BA, O étant obtenu par un phasemètre recevant le signal A et un signal sin 2 Ot. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par la figure que représente: La figure 1 donne le synoptique complet du polarimètre acoustique objet de la présente invention Il peut se subdiviser en trois parties principales: l'émetteur 100, la tête de mesure à fixer sur l'échantillon 200 et l'unité de traitement 300. Le rôle de l'émetteur est d'envoyer dans l'échantillon par l'intermédiaire de la tête de mesure, une onde acoustique transversale polarisée linéairement, de pulsation haute fréquence a et dont la direction de polarisation tourne à la vitesse angulaire 2 A titre d'exemple non limitatif, la haute fréquence de l'onde acoustique peut être choisie à 2 M Hz et la fréquence liée à la pulsation de rotation 52 à 70 Hz. L'oscillateur 1 de pulsation 2 envoie une tension en sin t sur une entrée du circuit multiplieur 2 et, par l'intermédiaire du déphaseur 3 une tension en cos N t sur une entrée de multiplieur 4 A titre d'exemple, ces deux tensions en quadrature peuvent être obtenues à partir d'un oscillateur bistable délivrant un signal carré de fréquence quadruple à des circuits logiques, d'o sortent deux signaux carrés en quadrature à la fréquence requise En filtrant les harmoniques, on obtient les deux signaux sinusoïdaux en quadrature. Les autres entrées des circuits multiplieurs 2 et 4 sont attaquées par une tension haute fréquence en cos W t provenant de l'oscillateur 5 L'opéra- tion de multiplication effectuée dans les circuits 2 et 4 donne pour l'un sur la voie x un signal en E cos St cos wt et sur la voie y un signal en E sin N t cos W t Ces deux signaux sont transmis à la tête de mesure par les amplificateurs 8 et 9. La tête de mesure est composée du corps 10, en matériau capable de transmettre les ondes acoustiques transversales avec peu d'atténuation et sans modifier la polarisation Ce matériau doit donc être élastiquement isotrope Ce peut être avantageusement un corps amorphe comme les verres ou la silice vitreuse, mais les métaux ou les matières plastiques peuvent convenir, s'ils remplissent les conditions d'isotropie élastique et de faible atténuation Ce corps 10 a deux faces planes parallèles dont l'une est collée sur l'échantillon 11, dont on désire mesurer les paramètres d'anisotropie élastique o et Y Un collage en couche mince du corps 10 sur l'échantillon 11 assure une bonne transmission des ondes acoustiques transversales. Deux transducteurs 6 et 7, vibrant en cisaillement, sont collés sur l'autre face du corps 10 Généralement en céramique piézo-électrique, ces transducteurs peuvent être réalisés en matériau magnétostrictif ou être des quartz coupe Y Ils sont orientés de façon que leurs axes de polarisation soient croisés à 90 l'un de l'autre Ils peuvent être collés côte à côte sur la face du corps 10 mais il est préférable de les superposer pour que les trajets acoustiques se propagent sur un axe commun dans le corps 10 et l'échantillon 11 Le transducteur 6 est attaqué par la tension de la voie x et le transducteur 7 par celle de la voie y qui doit être légèrement retardée du temps de parours dans 7 pour que les ondes émises entrent en phase dans le corps 10 La combinaison dans 10 de ces deux ondes émises par les voies x et y donne une onde transversale à polarisation rectiligne tournant à la vitesse angulaire çÄ Elle se propage dans 10 puis dans l'échantillon Il o elle se réfléchit sur la face opposée pour revenir sur les transducteurs 6 et 7 Pour éviter les ondes stationnaires, l'émission est pulsée par une tension d'arrêt S appliquée aux amplificateurs 8 et 9 Une des fonctions du corps 10 est de former une ligne à retard acoustique pour que l'onde réfléchie par la face arrière de 11 ne parvienne aux transducteurs 6 et 7, qu'après la fin de l'impulsion d'émission Les signaux électriques x 1 et y 1 engendrés par ces transducteurs sont transmis aux circuits de traitement 300. Dans la partie traitement 300, les signaux des voies x 1 et y 1 sont transmis sur une des deux entrées de multiplieurs 16 et 17 par l'intermé- diaire des amplificateurs 13 et 14 Une tension S bloque ces amplificateurs pendant la durée des impulsions d'émission Les autres entrées des multi- plieurs 16 et 17 sont attaquées par une tension en cos (w t + p), issue de l'oscillateur 5 par l'intermédiaire du déphaseur 18, qui produit le déphasage f par la commande d'un signal 51 Ces multiplieurs effectuent une détection synchrone, qui est suivie d'un filtrage par des filtres 19 et 20, pour éliminer les composantes haute-fréquence des signaux résultants X et Y. Deux groupes de multiplieurs, 21, 22, 23 et 24 reçoivent d'une part ces signaux X et Y, d'autre part des tensions en quadrature en sin nt et cosn t disponibles dans la partie émetteur 100 Un amplificateur différentiel 25 effectue la différence B entre les signaux X cos N t sortant du multiplieur 22 et Y sin Qt sortant de 21 De même, la différence A est effectuée par un amplificateur différentiel 26 entre X sin P t et Y cos N t fournis par les multiplieurs 24 et 23. Le signal alternatif A est appliqué à un phasemètre 29, qui reçoit également le signal de référence proportionnel à sin 2 Rt Le signal de sortie du phasemètre fournit la valeur 2 O, la valeur de O étant affiché sur un indicateur 110. Les signaux alternatifs A et B à la fréquence angulaire Q 2 sont appliqués à des voltmètres alternatifs 27 et 28, qui fournissent les valeurs numérisées des amplitudes A 1 et Bl de ces signaux à un microprocesseur 35. A la sortie du microprocesseur on obtient la valeur numérique de Y, qui est affiché sur l'indicateur 120. Le fonctionnement du microprocesseur est le suivant Il génère le signal de commande 51 du déphasage du déphaseur 18 Les déphaseurs à commande électronique sont bien connus Pour une valeur particulière de 4, la valeur de A 1 est nulle et à ce passage de A 1 par zéro la valeur correspondante BA de B 1 est mise en mémoire De même pour une autre valeur particulière de 4, Bl s'annule et à ce passage de Bl par zéro la valeur correspondante de A 1, AB est mise dans une autre mémoire. Dans un premier cycle de fonctionnement le microprocesseur détermi- ne la valeur BA, dans un second cycle il détermine la valeur AB et dans un troisième cycle il utilise les valeurs mémorisées pour exécuter le calcul de qui est donné par: YP = arctg (AB/BA) Cette valeur de 'p est affiché sur l'indicateur 120. On a décrit un polarimètre acoustique fournissant les angles de déphasage et la direction des axes neutres par affichage direct. REVENDICATIONS 1 Polarimètre acoustique, pour déterminer les paramètres de biré- fringence O et 'f d'une lame à faces parallèles (Il), cette lame ( 11) étant fixée sur la face terminale d'un corps allongé isotrope à faces parallèles ( 10), réalisé dans un matériau propageant des ondes acoustiques de fré- quence o/2 r et que sur l'autre face terminale de ce corps ( 10) est placée une paire de transducteurs ( 6,7) ayant leurs axes de polarisations transversa- les linéaires à 90 l'un de l'autre et que les signaux électriques appliqués sur le premier et le deuxième transducteur ( 6,7) sont respectivement de la forme cos Qt cos wt et sin Q t cos W t, o Q 2/2 W est une basse fréquence ( ( 2 phasemètre ( 29) recevant le signal A et un signal sin 2 Q t. 2 Polarimètre suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les signaux numérisés de A 1 et Bl fournis par les volmètres alternatifs ( 27, 28) sont appliqués à un microprocesseur ( 35), qui commande par un signal 51 le déphasage 4 produit par le déphaseur ( 18) et que dans ce microproces- seur sont mémorisés successivement les valeurs de AB et de BA, et qu'ensuite ces valeurs mémorisées sont lues pour calculer la valeur dey __