Brevet FR2553960A1 — publié le 19850426

La présente invention a pour objet une cale étalon destinée à transformer une onde ultrasonore initiale en une onde ultrasonore longitudinale et une onde ultrasonore transversale dont les amplitudes sont dans un rapport connu. Elle vise en outre l'application d'une telle cale à la mesure des sensibilités relatives de traducteurs ultrasonores à onde longitudinale et à onde transversale, respectivement appelé traducteur longitudinal et traducteur transversal. Actuellement, il n'existe pas de méthode simple permettant de comparer les sensibilités de traducteurs ultrasonores longitudinal et transversal. En conséquence il n'est pas possible à partir de la mesure des tensions électriques délivrées par ces traducteurs de connaître le rapport des amplitudes des ondes ultrasonores qui les excitent. Or. dans les domaines de l'émission acoustique. de la génération d'ultrasons par laser. de la mesure d'une grandeur basée sur l'utilisation d'ondes longitudinales et transversales, etc ... il est nécessaire de pouvoir comparer les amplitudes des ondes détectées par les traducteurs ultrasonores. La présente invention vise à remédier à cet état de chose eut à réaliser une cale étalon, dont une forme possible (10) est représentée sur la figure 1. dans laquelle une onde initiale (1) donne naissance, par transformation de flIdL sur la face AB. à deux ondes (2) et (3) de modes longitudinal et transversal avec des amplitudes de rapport connu. Les ondes (2) et (3) peuvent servir à comparer les sensiblités de deux traducteurs longitudinal et transversal acoustiquement couplés en L et K aux faces BC et CD. Conformément à l'invention. la cale étalon peut être taillée dans un matériau métallique ou plastiauecisotrope ou éventuellement anisotrope. d'épaisseur voisine de 50 mm. de dimensions linéaires et angulaires dépendant des vitesses de propagation des ondes ultrasonores longitudinale et transversale dans le matériau qui la constitue. Les faces AB. BC, CD et AD sont planes et rectifiées, la face AB étant protégée par une semelle de protection en plexiglass évidée. afin d'éviter toute pollution dans un rayon de 15 à 20 mm autour du point J. L'onde initiale (1) est générée par un traducteur ultrasonore émetteur récepteur (11) à bande large ou étroite et l'angle a est choisi tel que le rapport des amplitudes des ondes (2) et (3) varie le moins possible en fonction de a .Ce rapport, calculé avec le modèle de l'onde plane. est indépendant de la fréquence et il est nécessaire d'introduire une correction pour tenir compte des affaiblissements dus aux phénomènes de divergence et d'atténuation. ta correction, fonction de la fréquence. peut être déterminée de deux façons soit théoriquement en utilisant les résultats de la littérature 111 121 permettant de calculer, en fonction du diamètre du traducteur, de la nature et de la géométrie de la cale, les affaiblissemnets dus aux phénomènes précités. soit expérimentalement par mesure directe de l'affaiblissement total (divergence et atténuation) sur un matériau identique à celui de la cale. Pour confirmer la correction introduite, il suffit de comparer les spectres des signaux S6 et S7 délivrés par le traducteur (11) sous l'action des ondes ultrasonores (6) et (7). L'onde (6) correspond à la propagation suivant IJLJI et l'onde (7) à la propagation suivant IJKJI. ces propagations faisant intervenir des changements de mode en J et des réflexions totales en L et K. L'application de la correction à ces deux ondes doit conduire à un rapport des spectres des signaux S6 et S7 conforme au rapport expérimental. L'invention vise également un dispositif expérimental permettant d'effectuer la mesure des sensibilités relatives de traducteurs longitudinal et transversal à l'aide de la cale précédemment décrite. Ce dispositif,dont une configuration possible est représentée sur la figure 2 ,comprend - une cale (10) du type décrit ci-dessus - un traducteur large bande (11) et son système d'excitation électrique (12) - les traducteurs (13) et (14), de modes différents, dont les sensibilités relatives sont déterminées en les couplant en L et K aux faces BC et CD de la cale (10) - un amplificateur électrique large bande (15) - un oscilloscope (16) Ensuite deux configurations peuvent être utilisées - montage analogiaue comprenant une porte analogique (17) un analyseur de fréquences (18) et une table traçante (19) - montage numérique comprenant un échantillonneur rapide (20) un mini ordinateur (21) et une table traçante (22). Pour fixer les idées par un exemple précis, la cale (10) d'angle a = 50 (figure 3 échelle 1) est en duralumin, matériau dans lecuel les vitesses de propagation ondes longitudinale et transversale sont VL = 6370 m/s et VT = 3100 m/s. L'onde initiale longitudinale (1) d'amplitude U1, de spectre compris entre 1 et 10 MHz st générée par un traducteur piézoélectrique large bande (11) de diamètre 19 mm.Au contact de la face AP, elle donne naissance à une onde longitudinale (2) d'amplitude U2, d'angle a = 500, et à une onde transversale (3) d'amplitude U3, d'angle le rapport théorique des amplitudes calculé avec le modèle de tonde plane étant Après réflexion totale en L et K ces ondes donnent naissance,par réflexion et par changement de mode au point J, aux ondes (6) et (7) dont le rapport théorique des amplitudes est Si 1 on tient compte de la correction dus au phénomènes de divergence et d'atténuation, le rapport U7|U6 varie avec la fréquence comme l'indique la courbe (23) de la figure 4.Expérimentalement ce rapport varie comme le montre la courbe (24) ce qui confirme la validité de la correction que l'on peut alors appliquer afin d'obtenir le rapport exact U3/D2 qui est représenté sur la courbe (25). Ainsi. on connaît, pour chaque fréquence, le rapport de l'amplitude de l'onde transversale sur l'amplitude de l'onde longitudinale arrivant respectivement aux points K et L. Pour mesurer la sensibilité relative des traducteurs longitudinal (24) et transversal (25) on les couple à la cale en L et K et l'appareillage ainsi établi (figure 2) s'utilise comme suit Si les traducteurs à comparer sont résonants à la même fréquence, il suffit de mesurer avec ltoscilloscope les tensions ET et EL aux bornes des traducteurs et de calculer Si les traducteurs à comparer (24) et (25) sont large bande, il faut utiliser la chaîne analogique ou la chaîne numérique et effectuer l'opération précédente pour chaque fréquence. REFEHENCES BIBLIOGRAPHIQUES |1| Ultrasonic diffraction from single aperture vith application to pulse measurements and crystal physics, E Papadakis, Physical Acoustic, vol 11, p 151-211 (1976), Mason Thurston. 121 Ultrasonic attenuation caused by scattering in polyerystallkine media, E Papadakis, Physical Acoustic, vol 4, p 269-328, (1966), Mason Thurston. REVENDICATIOR 1) Cale etalon taillée dans un matériau métallique ou plastique caractérisée en ce quelle comporte une face plane AB formant un angle a convenable avec la face plane AD. Les faces planes BC et CD sont perpendiculaires aux directions JL et JK formant elles mêmes les angles c et ss parfaitement déterminés avec la normale en J à la face AB. 2) Cale selon la revendication 1 caractérisée en ce que la face An est recouverte d'un matériau isolant présentant un évidement autour du point J. 3) Appareil pour la mesure des sensibilités relatives de traducteurs à onde longitudinale et à onde transversale au moyen d'une cale suivant la revendication qui précède, caractérisé en ce qu'il comprend un telle cale, un traducteur ultrasonore générant l'onde initiale, un amplificateur large bande recevant successivement les signaux délivrés par les traducteurs à comparer,une porte analogique suivie d'un analyseur de fréquence ou un échantillonneur suivi d'un mini ordinateur programmé pour calculer entre autres les spectres de fréquence des signaux et les corrections à apporter pour tenir compte des phénomènes de divergence et d'atténuation.