Brevet FR2683910A1 — publié le 19930521

DESCRIPTION Dolai ne technique La présente invention a pour objet un appareil de mesure des caractéristiques élastiques (module de YOUNG et coefficient de POISSON) de matériaux. Plus particulièrement, L'invention vise la mesure de ces caractéristiques en régime thermique dynamique (de 20 à 10000C). Etat de La technique antérieure La famille à laquelle appartient l'appareil de la présente invention est celle où l'on effectue une analyse des fréquences de vibration d'un échantillon de géométrie simple (par exemple un disque, un parallélépipède, etc...) excité par un choc. Dans les appareils connus, les fréquences sont mesurées à partir du signal délivré par un capteur en contact avec l'échantillon, selon le principe de l'accéléromètre. L'utilisation d'un accéléromètre présente des inconvénients - il perturbe la vibration de l'échantillon par la présence d'une masse en un point de celui-ci, - il ne permet pas d'opérer à haute tempéra ture. Ces appareils présentent encore un inconvénient : la méthode de calcul des caractéristiques élastiques du matériau (par identification de fréquences expérimentales et calculées) ne permet de traiter, en son état actuel, que le cas des échantillons de faible épaisseur. L'utilisation de l'analyse modale (toujours avec un accéléromètre) pour la mesure des fréquences, nécessite, quant à elle, de réaliser plusieurs tests sur le même échantillon pour obtenir les caractéristiques élastiques du matériau. Il existe d'autres familles d'appareils que ces appareils à analyse vibratoire. Mais ces appareils (utilisant des moyens ultra-sonores par exemple) nécessitent une lourde infrastructure pour réaliser des mesures à température élevée. Ils ne permettent pas, de plus, d'opérer en régime thermique dynamique. Exposé de L'invention La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un appareil qui permet, en un seul test, de mesurer simultanément le module de YOUNG et le coefficient de POISSON d'un matériau isotrope, sur un échantillon de faible ou de forte épaisseur, et cela dans une gamme de température qui va sensiblement de 20 à 10000C. Selon l'invention, la mesure des fréquences s'effectue à partir du signal acoustique émis par L'échantillon en vibration et capté par un microphone. L'utilisation, selon l'invention, d'un microphone permet - de ne pas perturber la vibration de l'échantillon, - d'opérer, si besoin est, à température variable. Pour travailler en température, des moyens de chauffage sont utilisés qui peuvent consister en des lampes infrarouges munies de réflecteurs, par exemple paraboliques. Ces lampes irradient l'une des faces de L'échantillon. Les pertes thermiques par rayonnement peuvent être réduites par un anneau de garde disposé autour de l'échantillon et par un réflecteur disposé en regard de l'autre face de l'échantil- lon. Ce moyen de chauffage par lampes infrarouges utilisé dans l'invention présente les avantages suivants - il permet des évolutions rapides de la température du matériau (300C/s), - il a une infrastructure légère (il n'est pas nécessaire d'isoler thermiquement l'ensemble des éléments du dispositif sensibles à la température), - il assure une bonne homogénéité en tempéra ture de l'échantillon. La détermination des caractéristiques élastiques du matériau s'effectue par association des fréquences expérimentales avec des paramètres de fréquence, en tenant compte des effets dus à L'épaisseur de l'échantillon testé. Les paramètres de fréquence sont des termes sans dimension calculés d'après la théorie. Les précisions sur les valeurs du module de YOUNG sont de 5% et sur le coefficient de POISSON de l'ordre de 10%. Brève description des dessins - la figure 1 montre le schéma général de l'appareil de l'invention, - la figure 2 illustre un mode particulier de réalisation des moyens de mise en vibra tion, de préhension et de chauffage de l'échantillon. Exposé détaiLLé d'un mode de réalisation L'appareil représenté sur La figure 1 comprend - un ensemble 10, qui est un ensemble de mise en vibration et en température ; cet ensemble sera décrit plus en détail sur la figure suivante mais on voit déjà qu'il comprend un échantillon 12 en forme de disque, deux tiges de fixation axiale 14 et 16, un dispositif de percussion 15, des sources infrarouges 18, un réflec teur thermique 20 percé d'une ouverture 21, un anneau de garde 22 ; - une chaîne acoustique 30 constituée d'un microphone 32, d'une alimentation 34 et d'un amplificateur 36 ; - un analyseur de spectre 40, de préférence à transformée de FOURIER rapide ; - un micro-calculateur 50. Le disque 12 présente une épaisseur d'environ 1 mm et un diamètre d'environ 100 mm. Mais naturellement, l'invention n'est pas limitée à ces valeurs. Ce disque est maintenu horizontalement en son centre au moyen des deux tiges 14 et 16, qui peuvent être en céramique. Ces tiges sont perpendiculaires au disque, en opposition, et maintenues en pression par un ressort. Ces tiges sont de préférence creuses pour minimiser les pertes thermiques par conducteur au centre de l'échantillon. Les deux tiges 14 et 16 ont un contact ponctuel avec le disque 12 de part et d'autre de celui-ci, grâce à deux billes en céramique rapportées. Ce mode de fixation ponctuel supprime un degré de liberté du disque (translation verticale) et gêne un deuxième degré de liberté (rotation autour de l'axe vertical). Par ailleurs, le contact ponctuel minimise encore les pertes thermiques par conduction. Le principe de fonctionnement de cet appareil est le suivant. Le disque 12 subi un choc grâce au moyen de percussion 15. Il entre de ce fait en vibration. Le mode de fixation axiale et ponctuelle par les tiges 14 et 16 ne bloque que les modes de déformation axisymétriques. Le signal acoustique engendré par le disque est recueilli au moyen du microphone 32. L'analyseur de spectre 40 permet d'obtenir les fréquences propres de vibration du disque, par transformée de FOURIER du signal. Le logiciel de calcul, implanté dans le micro-calculateur 50, identifie les modes de vibration correspondant aux différentes fréquences expérimentales par une méthode statistique. Cette identification permet tout d'abord de déterminer le coefficient de POISSON U du matériau puis son module de YOUNG E. L'expression de base utilisée par le logiciel est celle qui, pour chaque mode propre de vibration (n, s), relie la fréquence propre de vibration du mode considéré f(n, s) aux constantes élastiques E et U du matériau f(n,s) = 1/(2tu2) 1/(ph)1/2 (Eh3/12(1-U2)l1/2 > 2(n,s) avec n : nombre de diamètres nodaux de la déformée du mode considéré, s :nombre de cercles nodaux de la déformée du mode considéré, X2(n,s,U,h/R) : paramètre de fréquence du mode considé ré, R : rayon du disque, h : épaisseur du disque, p: masse volumique du matériau, U : coefficient de POISSON du matériau, E : module de YOUNG du matériau. Cette expression est obtenue en écrivant les équations de l'équilibre dynamique d'un disque. Les paramètres de fréquence > 2(n,s,U,h/R) sont calculés sur ordinateur au moyen d'un programme de calcul utilisant une méthode analytique. Ils peuvent être calculés sur micro-calculateur. L'ensemble 10 de la figure 1 est représenté plus en détail sur la figure 2. Cet ensemble comprend deux parties, L'une supérieure 60, l'autre inférieure, 80. Ces deux parties sont isolées thermiquement au niveau du plan du disque par un écran isolant thermique 70. La partie supérieure 60 est "chaude" et la partie inférieure 80 "froide". Le montage, sur bâti rigide, est constitué de quatre rails verticaux indépendants deux à deux. Deux rails 62 et 63 sont représentés dans le plan de la figure 2. Les deux autres rails ne sont pas représentés ; le plan qu'ils définissent est perpendiculaire au plan de la figure. L'un est en avant du plan de la figure et l'autre en arrière. Les éléments mobiles viennent se fixer sur les quatre rails. La partie supérieure comprend quatre lampes infrarouges orientables 61 munies de réflecteurs paraboliques. Ces lampes sont supportées par les deux rails non représentés sur la figure. Une platine 64 à deux degrés de liberté (x,y) permet l'alignement de la tige supérieure 14 avec la tige inférieure fixe 16. Un ressort 65 permet un déplacement vertical à grande course des deux tiges tout en maintenant en permanence une pression suffisante sur le disque pour qu'il se maintienne dans le plan horizontal ; le ressort 65 absorbe les dilatations de la tige supérieure en température. Une crémaillère 67 permet les déplacements verticaux de l'ensemble. La partie inférieure 80 comprend un moyen de fixation 81 de la tige inférieure 16, solidaire d'une table mobile 82. Le système de percussion 15 est actionné par un électro-aimant 83, lui-même relié à un boîtier de commande permettant de régler la force de I' im- pact. Une boîte à eau 85, au contact du réflecteur 20, sert à refroidir celui-ci et le microphone 32. Le réflecteur 20 peut être en cuivre poli. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure des caractéristiques élastiques d'un matériau, comprenant des moyens de préhension d'un échantillon (12) en ce matériau, des moyens (15) pour mettre en vibration cet échantillon, un capteur apte à détecter les vibrations de l'échantillon et des moyens de traitement (40, 50) du signal délivré par le capteur pour en extraire les caractéristiques élastiques du matériau, cet appareil étant caractérisé par le fait que le capteur est un microphone (32) disposé à proximité de l'échantillon (12). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre au moins une source de chaleur (18) disposée au-dessus de l'échantillon (12). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les sources de chaleur sont des lampes à infrarouge (61). 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un réflecteur thermique (20) disposé sous l'échantillon (12). 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend une boîte à eau (85) en contact avec le réflecteur (20). 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le réflecteur thermique (20) est percé d'une ouverture (21) en regard de laquelle est placé le microphone (32). 7. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un anneau de garde (22) disposé autour de l'échantillon (12). 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de préhension sont constitués par deux tiges (14, 16) perpendiculaires à l'échantillon (12) et pinçant l'échantillon en son centre géométrique. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les deux tiges (14, 16) sont creuses. 10. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux tiges (14, 16) sont munies à leur extrémité d'une bille, qui assure un contact ponctuel avec L'échantillon (12). 11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les deux tiges (14, 16) et leurs billes sont en céramique. 12. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que L'une des tiges (16) est placée sous l'échantillon (12) et est solidaire d'une table mobile (82) et l'autre (14) est placée au-dessus de l'échantillon (12) et est fixée à une platine (64), cette platine étant à deux degrés de liberté et permettant l'alignement vertical des deux tiges (14, 16). 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la tige (14) placée au-dessus de l'échantillon (12) est reliée à la platine (64) par un ressort (65) permettant un déplacement vertical de la tige (14) tout en assurant que la tige (14) exerce une pression sur l'échantillon (12). 14. Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la platine (64) est reliée à un rail vertical (63) par un dispositif à crémaillère (67). 15. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que l'échantillon (12) est un disque.