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1. Introduction
Depuis bien longtemps, on sait que les animaux tels que les baleines, dauphins ou bien encore chauve-souris utilisent les ultrasons dans le but de trouver la localisation d’un objet.
En 1883, le physiologiste anglais Francis Galton invente un «sifflet à ultrasons». En soufflant dans ce sifflet, l’homme ne perçoit rien alors que les chiens réagissent. Mais c’est surtout la découverte en 1880, de la piézo-électricité, par les frères Pierre et Jacques Curie, qui a permis après 1883, de produire facilement des ultrasons et de les utiliser.
Les premières études des ultrasons n’étaient pas destinées aux humains. Ainsi ils étaient plutôt utilisés durant la première guerre mondiale pour détecter les sous-marins, par exemple. En 1918, Langevin l’utilise pour mesurer la profondeur et détecter la présence d’icebergs avec les sonars qui commencent à se répandre à partir de 1920 et qui sont les premiers appareils à ultrasons
Mais c’est seulement à partir de 1970, qu’on utilise les ultrasons dans la médecine. En effet Wild et Reid s’en servent pour faire les premières images de coupes échographiques.
L'utilisation des ultrasons depuis une vingtaine d'années a ouvert de nouvelles possibilités tant au point de vue contrôle qualité qu'au point de vue de l'étude des propriétés mécaniques des matériaux. En particulier, l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans le solide qui est devenu un moyen d'examiner certaines propriétés physiques des métaux.
2. Ondes sonores
2.1. Définition
Les mouvements de la membrane du haut-parleur créent les ondes sonores qui se propagent ensuite dans l’air pour arriver jusqu’à nos oreilles.
Une onde sonore correspond à la propagation de perturbations mécaniques dans un milieu élastique. Ces perturbations sont perçues, entre autres, par l'oreille humaine qui les interprète comme des sons. La science qui étudie ces ondes s'appelle l'acoustique.
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Les ondes sonores peuvent subir des réflexions, lorsque l'on entend un écho, par exemple. Elles peuvent aussi subir des réfractions, lorsqu'elles traversent une paroi. Elles peuvent enfin subir des interférences.
Les ondes sonores, contrairement aux ondes lumineuses, ne se propagent pas dans le vide. Elles s'appuient nécessairement sur un milieu matériel [1].
2.2. Domaine des fréquences :
Les ondes sonores sont émises par une source (voix humaine, instrument de musique, diapason) et mises en évidence par un récepteur tel que l’oreille humaine ou animale, un sonomètre. Elles sont caractérisées par leur fréquence et se répartissent en 3 classes [2] :
• Les infrasons : ont une fréquence inférieure à 20 Hz. Ils sont audibles par certains animaux comme les éléphants qui leur permettent de communiquer.
• Les sons : audibles par l’oreille humaine, sont compris entre 20 Hz et 20 kHz. Les sons de basse fréquence sont les sons graves et les sons aigus sont des sons de haute fréquence.
• Les ultrasons : ont des fréquences supérieures à 20 kHz. Ils sont audibles par la chauve-souris, les chats, les dauphins.
3. Ultrasons
3.1. Définition :
Ce sont des vibrations de même nature que le son, mais de fréquence supérieure à la plus haute fréquence audible pour un homme. Ces vibrations sont produites dans la matière à une fréquence supérieure à 20 kHz. Les ultrasons se déplacent à des vitesses différentes dans les différents milieux traversés. Ils détiennent les mêmes propriétés générales que les ondes élastiques, c’est-à-dire des ondes vibratoires ou des ondes de pressions dépendant du milieu de propagation [3].3.2. Caractéristiques
Les ondes ultrasonores sont caractérisées par plusieurs éléments, on cite en particulier [4] :
Longueur d’onde λ et sa fréquence f qui sont liées par la relation :
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Impédance acoustique Z, qui caractérise la résistance qu’un milieu et s’oppose à sa mise en mouvement lorsqu’il est traversé par une onde acoustique. Elle dépend de la masse volumique et de la compressibilité du milieu, c’est-à-dire de son aptitude à reprendre sa forme originale après déformation :
𝑍 = √𝜇 𝑥⁄ (1 .2) Avec :
o Z = impédance acoustique exprimée en Kg/m²/s o x = la compressibilité du milieu en m2.s.kg-1. o µ= la masse volumique en kg.m-3.
Célérité, c’est la vitesse de propagation dans un milieu exprimée en m/s: 𝐶 = 𝑍 𝜇⁄ (1.3) Mais on peut très bien se servir d’une formule beaucoup plus simple :
𝐶 = 𝑑 𝑡⁄ (1.4) Avec : d : distance en m et t : temps en s.
Pression P et intensité I : L’intensité correspond à l’énergie qui traverse une unité de surface pendant une unité de temps. Elle est définie par l’expression :
𝐼 = 𝑃2⁄2𝑍 (1.5)
3.3. Types d’ondes ultrasonores
Plusieurs types d’ondes ultrasonores sont susceptibles de se propager dans les milieux solides. Ces ondes se différencient les unes des autres par [5]:
La forme et la direction des trajectoires qu’elles impriment aux particules du matériau dans lequel elles se propagent ;
La vitesse de propagation ou célérité ;
La distance à laquelle elles sont susceptibles de se propager dans le matériau.
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On distingue quatre types d’ondes ultrasonores : les ondes longitudinales, les ondes transversales, les ondes de surface et les ondes LAMB.
3.3.1. Les ondes longitudinales (ou de compression)
Ces ondes ont la propriété de se propager dans les milieux gazeux, liquides et solides. Leur propagation s’accompagne, en chaque point de la matière, par des mises en compression puis en dilatation de celle-ci conduisant à des variations de volume.
La propagation d’une onde sonore ou ultrasonore dans un milieu solide n’est pas un phénomène simple. En effet, pour une onde longitudinale, les déplacements des particules, suivant la direction de propagation, entraînent également des déplacements dans d’autres directions.
.
La vitesse d’une onde longitudinale est donnée par l’expression :
𝑉ℓ = √𝐸 𝜌⁄ (1.6) Où E : module d’élasticité longitudinal du matériau tel que E=ơ∕ε en Pascal (Pa) ơ : contrainte normale (Pa) .
ε : dilatation linéique relative .
ρ: masse volumique du matériau
Il apparaît donc que la vitesse de propagation de l’onde dépend du matériau considéré puisque E, r et m sont des paramètres caractéristiques de ce matériau. Enfin, les ondes longitudinales sont très utilisées pour le contrôle non destructif des matériaux et la mesure des épaisseurs de parois.
3.3.2. Les ondes transversales (ou de cisaillement)
Ces ondes ne se propagent que dans les milieux solides. La propagation de ce type d’onde n’entraîne pas des modifications locales du volume du matériau mais simplement une déformation de celui-ci par glissement.
L
a vitesse de ce type d’ondes est donnée par l’expression :𝑉𝑡 = 𝐺 𝜌⁄ (1.7) Où G : le module d’élasticité de glissement du matériau ou module de Coulomb exprimé en pascal (Pa) tel que :
𝐺 = 𝑡 𝑔⁄ (1.8) t : contrainte tangentielle ou de cisaillement
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g : glissement unitaire ,
ρ: masse volumique ,
Les milieux gazeux ou liquides étant caractérisés par un module d’élasticité de glissement G est nul, les ondes transversales ne se propagent pas dans ces milieux. Enfin, les ondes transversales sont très utilisées pour le contrôle non destructif des milieux métalliques et notamment des assemblages soudés.
3.3.3. Les ondes de surface (ou de Rayleigh)
Dans certaines circonstances, les ondes transversales se propagent à la surface libre d’un matériau et n’affectent qu’une couche mince sous-jacente à celle-ci dont l’épaisseur est égale ou peu différente d’une longueur d’onde. Les ondes sont alors appelées ondes de surface ou de Rayleigh et se propagent à une vitesse d’environ 10 % de celle des ondes transversales lorsqu’elles se déplacent dans un milieu illimité.
La trajectoire des particules est la résultante de deux vecteurs de déplacement : l’un, le plus important, est perpendiculaire à la surface du matériau, l’autre, de plus faible amplitude, est parallèle à la direction de propagation donc à la surface du matériau.
Le mouvement des particules suit des trajectoires elliptiques et la vitesse de propagation d’une onde de surface est donnée par l’expression :
𝑉𝑠 = 0,9√𝐺 𝜌⁄ (1.9) Soit 𝑉𝑠 = 0,9𝑉𝑡 (1.10) Ce type d’ondes est naturellement rencontré dans la propagation des secousses telluriques.
Dans la pratique des contrôles industriels, les ondes de Rayleigh sont peu utilisées en raison de leur trop grande sensibilité aux rugosités de surface.
3.3.4. Les ondes de Lamb (ou de plaque)
Dans les tôles dont l’épaisseur est égale ou peu différente d’une longueur d’onde, les ondes de surface ne peuvent pas être générées. Dans ce cas, d’autres ondes apparaissent, ce sont les ondes de Lamb ou de plaque qui sont de deux types
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principaux : le premier est comparable à une onde de compression et le deuxième type est caractérisé par une onde de mode transversal.
4. Production des ondes ultrasonores
Les fréquences des ondes ultrasonores qui sont utilisées lors des contrôles industriels sont comprises entre 250 KHz et 50 MHz, le domaine le plus courant étant compris entre 1 et 10 MHz environ.
La production des ondes ultrasonores de très hautes fréquences fait appel à des transducteurs, terme général qui désigne un dispositif susceptible de transformer une forme d’énergie en une autre forme d’énergie.
En l’occurrence, les transducteurs utilisés vont convertir l’énergie électrique en énergie acoustique. Ils sont de quatre types :
Les transducteurs électromagnétiques,
Les transducteurs électrostatiques,
Les transducteurs magnétostrictifs,
Les transducteurs piézo et ferroélectrique,
L’obtention de fréquences supérieures à 250 KHz ne peut être satisfaite qu’au moyen des transducteurs piézo et ferro électriques [6].
4.1. L’effet piézo-électrique
L'effet piézoélectrique a été mis en évidence par les frères Pierre et Jacques Curie, en 1880. Le terme piézoélectricité vient du grec «piézein» signifiant presser ou appuyer. Ainsi le terme piézoélectricité désigne la propriété que présentent certains corps de se polariser électriquement, soit de générer un champ ou un potentiel électrique sous l'action d'une contrainte mécanique. On parle d'effet piézoélectrique direct. Car l'effet piézoélectrique inverse est également observé : une tension électrique appliquée à un matériau présentant des propriétés piézoélectriques entraine une modification des dimensions de ce matériau.
L'exemple sans doute le plus connu d'application de l'effet piézoélectrique se trouve dans l'industrie de l'horlogerie. En effet, la piézoélectricité est mise à profit pour la fabrication de montres (les fameuses montres à quartz) et d'horloges. Grâce à la tension fournie par une pile, le cristal de quartz se met à vibrer et permet de mesurer le temps [6].
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Figure 1.1 : Principe de la piézoélectricité
4.2. Etude d’un traducteur d’ondes longitudinales
Tous les cristaux et céramiques piézo-électriques dont il vient d’être question sont le siège d’une déformation dans l’épaisseur sous l’action d’une différence de potentiel alternative. Ils jouent donc le rôle d’un piston et génèrent par conséquent des ondes de compression ou ondes longitudinales.
L’exploitation des vibrations ainsi créées pour l’examen non destructif d’un matériau nécessite le conditionnement de la pastille piézo-électrique dans un ensemble appelé traducteur ou palpeur.
Le rôle de ce dispositif est de permettre l’excitation électrique de la pastille encore appelée élément sensible, de protéger celle-ci des chocs mécaniques et enfin d’optimiser les signaux d’émission et de réception puisque le plus souvent, le traducteur assure ces deux fonctions.
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Le schéma de la figure 1.2 représente un traducteur mono pastille et se compose : * De la pastille piézo-électrique,
* D’un amortisseur dont le rôle est d’interrompre le plus rapidement possible les vibrations de la pastille dès que l’excitation électrique de celle-ci a cessé,
* D’une membrane souple ou d’une lame dure de protection mécanique de la pastille piézo-électrique,
* Des conducteurs assurant les connexions électriques de la pastille, * D’un boîtier de protection,
* D’une prise de raccordement du traducteur au système d’alimentation et de réception.
La figure 1.3 représente un traducteur bi éléments piézo-électriques. Ce type de traducteur se compose de deux pastilles piézo-électriques distinctes inclinées ou non dont l’une joue le rôle d’émetteur d’ondes longitudinales et l’autre de récepteur de l’onde éventuellement réfléchie par un obstacle.
Les deux pastilles et leurs amortissements sont séparés les uns des autres par une plaque qui joue le rôle d’isolant acoustique et électrique afin d’éviter les parasites de fonctionnement. Les autres éléments constitutifs sont identiques à ceux d’un traducteur mono élément.
De tels traducteurs sont utilisés pour la recherche des défauts situés au voisinage de la surface d’examen ou lorsque les mesures doivent être effectuées avec une précision importante (mesure d’épaisseurs).
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4.3. Etude d’un traducteur d’ondes transversales, de surface ou de
Lamb
La taille d’un cristal de quartz permet d’obtenir des lames piézo-électriques qui, sous l’effet d’une polarisation électrique, subissent un changement de forme sans changement de volume par glissement de leurs faces.
On pourrait donc ainsi envisager de transmettre dans un matériau des ondes transversales ou de cisaillement perpendiculairement à la face d’examen.
Malheureusement, ceci ne peut être facilement réalisé car les milieux liquides assurant le couplage acoustique entre le traducteur et la pièce contrôlée ne transmettent pas ce type d’ondes.
La réalisation des traducteurs d’ondes transversales exploite les phénomènes aux interfaces [5].
5. Répartition de l’énergie par rapport à un dioptre
Suivant l’angle d’incidence de l’onde se propageant dans deux milieux séparés par un dioptre, on peut distinguer deux cas : l’incidence normale et l’incidence oblique.
5.1. Incidence normale
Dans ce cas, l’onde incidente est perpendiculaire à la surface de la pièce. Lorsqu’une onde ultrasonore arrive sur une interface placée à un angle droit par rapport à sa direction initiale, une partie est réfléchie dans le sens opposé et l’autre partie traverse l’interface et continue son chemin sans changer de direction. La quantité de l’énergie ultrasonore réfléchie ou coefficient de réflexion est directement proportionnelle à la différence d’impédance acoustique (Z1, Z2) entre les deux milieux. Si cette différence est grande, alors la plupart de l'énergie est réfléchie et seule une partie est transmise à travers l'interface. Tandis que si cette différence est petite, la majeure partie de l'énergie est transmise et seule une partie est réfléchie.
Soient I, R et T les amplitudes de l'onde incidente, réfléchie et transmise respectivement, la relation liant les trois amplitudes est la suivante :
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Les fractions réfléchie et transmise sont liées à la variation d'impédance par les relations suivantes :
Coefficient de réflexion R :R =Ir Ii = (Z2−Z1 Z1+Z2)2
(1.12)
Coefficient de transmission T :T =It Ii = 4Z1Z2 (Z1+Z2)2
(1.13) Où :𝐼𝑟 énergie réfléchie, 𝐼𝑖 énergie incidente, 𝐼𝑡 énergie transmise, 𝑍1 et 𝑍2
impédances acoustiques des deux milieux.
Figure 1.4 : La réflexion et la transmission à incidence normale
5.2. Incidence oblique
Lorsque les deux milieux de propagation ont deux vitesses de propagation d’onde différentes, il y aura réflexion dans le premier milieu et réfraction dans le deuxième milieu ; c’est-à-dire on a une onde ultrasonore qui se déplace à la vitesse 𝑉1 dans le milieu 1, est incidente à un angle oblique par rapport à l’interface des milieux 1 et 2, elle produit dans le milieu1 une onde réfléchie, et dans le milieu2 une onde réfractée. L’onde réfléchie a la même vitesse 𝑉1 et le même angle α que l’onde incidente, mais l’onde réfractée (transmise) à une vitesse 𝑉2 et un angle β.
La loi de Snell-Descartes donne la relation entre les deux vitesses en fonction des angles d’incidence et de réfraction :
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sin 𝛼
sin 𝛽
=
V₁V₂
(1.14)
Figure 1.5 : Incidence oblique
6. Atténuation des ondes ultrasonores
Une onde ultrasonore perd de l'énergie lors de sa propagation dans un milieu réel. Dans un matériau homogène et à faces parallèles par exemple, on observe cette perte d'énergie en enregistrant les échos successifs. L'enveloppe d'une séquence d'échos de fond de pièce présente alors une décroissance exponentielle de l'amplitude :
𝐴 = 𝐴0𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑥) (1.15) Où : A : l’amplitude à la distance x, 𝐴0 : l'amplitude initiale, 𝛼 : le coefficient d'atténuation et x : la distance traversée par l'onde.
Cependant, les matériaux naturels produisent un effet, plus ou moins accentué, qui affaiblit d'avantage les ondes ultrasonores. Ceci est le résultat de deux phénomènes, qui sont la diffusion et l'absorption, qui se regroupent dans le concept de l'atténuation. D'une façon générale, le coefficient 𝛼 est un paramètre relatif composé du coefficient d'absorption et du coefficient de diffusion [7].
7. Utilisations des ultrasons
Les ultrasons sont utilisés dans nombreux domaines : ► En médecine,
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- avec la thermothérapie : c'est une autre technique qui consiste à utiliser les ultrasons pour obtenir de la chaleur à fins thérapeutiques.
► En laboratoire, avec la sonication: les ultrasons sont ici employés pour rompre des membranes cellulaires ou pour nettoyer/désinfecter du matériel. On utilise ici un sonicateur.
► En agriculture, par vibration (nébulisation) de l’eau, à ce moment se forme de l'aérosol.
► En télédétection, avec le sonar.
► En télémétrie, pour mesurer les distances.
► Pour certaines activités de loisir, par exemple la création de brouillard d'eau. ► Pour chasser, certains animaux dits nuisibles : les rongeurs sont sensibles aux ultrasons et donc s'enfuient à l'écoute de ces sons. Garantie sans produit chimique. ► En téléphonie, comme sonnerie inaudible.
► Dans l'industrie automobile, pour éviter les obstacles : notamment pour se garer, il y a des capteurs à l'avant et à l'arrière toujours dans le même principe des calculs de distances, c'est de la télémétrie [8].
► En contrôle non destructif.
8. Contrôle non destructif
8.1. Introduction
Le contrôle non destructif (CND) regroupe un ensemble de méthodes qui ont pour but général de contrôler un objet sans le modifier. On peut les classer selon les phénomènes physiques mis en jeu : acoustiques, rayonnements, flux de matière, champs électromagnétiques.
Le métier du CND s'est historiquement construit autour des activités nucléaires (1950-1980), puis celles de l’aéronautique (1980-2000) lorsque les matériaux composites sont apparus. Dernièrement (2000-2010), une nouvelle demande concerne la caractérisation du béton (ouvrages d'art et aussi enceintes de confinement). Ces besoins sont toujours présents, ainsi que de nombreuses autres demandes d’applications industrielles, parfois extrêmement complexes.
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Les différentes méthodes de contrôle non destructif ont classiquement deux objectifs différents mais souvent complémentaires : la recherche de défauts macroscopiques à l'échelle de la mesure et la caractérisation globale de matériaux ou de pièces.
Le contrôle non destructif permet de vérifier la qualité du matériau (repérer les discontinuités dans une pièce) sans l’endommager, soit au cours de la production, soit au cours de la maintenance.
Toutes les soudures présentent des défauts. Les défauts ou les discontinuités dont la taille est trop importante sont appelés défauts inacceptables.
Les méthodes utilisées pour les essais non destructifs (END) sont : - Le contrôle visuel.
- Le contrôle par ressuage
- Le contrôle par magnétoscopie
- Le contrôle par radiographie : rayons X (RX) et gammagraphie (γ) - Le contrôle par courant de Foucault
- Le contrôle par ultrasons (US)
8.2. Définition du CND
L’ensemble des techniques et méthodes d’investigation fournissant des informations sur l’état d’intégrité ou la santé d’une pièce, d’un composant, d’une structure industrielle ou d’un matériau, sans les détériorer, est regroupé sous deux appellations principales : Contrôles Non Destructifs (CND) ou encore Essais Non Destructifs (END). L’appellation anglophone Non Destructive Testing (NDT) est la plus courante [9].
9. Les différentes techniques de CND
9 .1. Le contrôle visuel
Le contrôle visuel est une technique essentielle qui donne un aperçu de l’état extérieur d’une pièce. Il est destiné à déceler les défauts tels que les fissures, les inclusions, et le manque de pénétration dans la soudure. Il implique l’utilisation de
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gabarits et de calibres. Pour le cas de la soudure, on utilise des loupes, des caméras vidéo, des calibres et des règles graduées [10].
9.2. Les courants de Foucault
Cette méthode de CND (ET : Electromagnetic Testing en anglais) consiste à créer, dans des matériaux conducteurs électriques, des courants induits (courants de Foucault) par un champ magnétique variable, au moyen d'un capteur. Ces courants induits circulent localement dans le matériau (figure 1.6) et ont une distribution spatiale qui dépend du champ magnétique d'excitation, de la géométrie et des caractéristiques de conductivité électrique et de perméabilité magnétique de la pièce examinée. En présence d’une anomalie dans la pièce contrôlée, leur distribution spatiale est perturbée, entraînant ainsi une variation de l'impédance apparente du capteur, qui dépend de la nature de l'anomalie et de sa dimension volumique.
Figure 1.6 : Schéma du principe de la technique CND par courants de Foucault
C’est l’analyse de cette variation d’impédance qui fournit les indications exploitables pour effectuer le contrôle. L'interprétation des signaux recueillis s’effectue par comparaison avec ceux relevés dans un matériau étalon, qui peut être sain ou