1.3. Atténuation et bruit de structure
1.3.1. Généralités et définition de l’atténuation
T et T12 = 0 (1.15)
4. Continuité de la composante normale à l'interface du champ de déplacement des particules :
1 ) ( 1 ) ( 1 ) (inc uréfl utransm u +
∑
=∑
(1.16)Le développement et la résolution de ce système de quatre équations fournit les coefficients de réflexion et de transmission à une interface entre l'eau et un solide anisotrope pour une incidence quelconque. Les calculs seront étudiés plus en détail dans le troisième chapitre.
1.3. Atténuation et bruit de structure
L’un des problèmes pratiques rencontrés lors de l'inspection des soudures austénitiques est la diffusion des ondes ultrasonores par la structure. Cette diffusion conduit à une atténuation ainsi qu’à une éventuelle rétrodiffusion des ondes vers le transducteur (phénomène communément appelé bruit de structure). Ces deux phénomènes sont intimement liés [SAN 88], et varient selon la direction de propagation par rapport à l’orientation des grains. De plus, ils induisent un faible ratio du signal sur bruit [EDE 86, NEU 89]. Ils peuvent alors fausser le diagnostic d’un contrôle en masquant la manifestation d’un défaut par exemple. La propagation des ondes dans les milieux anisotropes a donc beaucoup été étudiée. Des modèles relativement simples permettent de comprendre le comportement des ondes en terme de vitesse et de direction de propagation. En revanche, l'atténuation et le bruit de structure sont deux phénomènes plus complexes, moins étudiés.
1.3.1. Généralités et définition de l’atténuation
Une onde ultrasonore perd de l'énergie lors de sa propagation dans un milieu réel. Cette observation expérimentale immédiate constitue une caractéristique importante de la propagation. Dans un matériau homogène et à faces parallèles par exemple, on observe cette perte d’énergie en enregistrant les échos successifs par une mesure en écho. L'enveloppe d'une séquence d'échos de fond de pièce présente alors une décroissance exponentielle de
35
l'amplitude de la forme exp
(
−α x)
, en négligeant les effets de la diffraction du faisceau [GOE 80] (Figure 1.15).Figure 1.15 : Décroissance exponentielle des échos en négligeant la diffraction [GOE 80].
La notion d'"atténuation intrinsèque" que nous étudions désigne la perte d'énergie due exclusivement aux interactions entre la microstructure du milieu et l'onde. Elle ne dépend ni de la géométrie de la pièce, ni de la méthode et de la configuration de mesure. Autrement dit, tous les phénomènes extérieurs ne peuvent être assimilés à l'atténuation intrinsèque du milieu traversé. Ces phénomènes peuvent être la réflexion/transmission aux interfaces entre l'échantillon et le milieu extérieur, ou encore la divergence du faisceau, propre à la propagation de tout faisceau de section limitée.
L'atténuation intrinsèque est causée par deux catégories de phénomènes : L'absorption :
Elle résulte de la conversion de l'énergie mécanique vibratoire en chaleur. Ce type d'atténuation intrinsèque est lié à la viscosité du matériau contrôlé. La dissipation de l'énergie sous forme de chaleur est due d'une part à des pertes thermoélastiques résultant du déphasage entre contrainte et déformation, et d'autre part à la non linéarité entre la contrainte et le déplacement atomique. Certains défauts cristallins comme les dislocations peuvent contribuer à l'atténuation par absorption.
L'objet de notre étude concerne un matériau métallique polycristallin fortement texturé. L'atténuation par absorption est négligeable dans les métaux polycristallins [BAI 77, EDE 86]. Nous nous intéresserons donc plus particulièrement à l'atténuation par diffusion.
enveloppe ~ exp(−α x) amplitude distance échos de fond impulsion envoyée transducteur échantillon
36 La diffusion :
Dans le cas de la diffusion (aussi appelée dispersion), une fraction de l'onde est déviée ou réfléchie lors de la rencontre de discontinuités d'impédance acoustique (Figure 1.16). Ces hétérogénéités acoustiques peuvent être des porosités, des précipités, des inclusions, des joints de grains, ou encore des défauts… Ici, une partie de l'énergie "quitte" le trajet rectiligne prévu par la théorie.
Figure 1.16 : Diffusion par une hétérogénéité.
Dans notre étude, nous nous intéressons plus particulièrement à la diffusion aux joints de grains qui est due à la différence d’impédance acoustique d’un grain à l’autre résultant de leurs orientations cristallographiques différentes.
Dans un milieu statistiquement isotrope, l'atténuation par diffusion est indépendante de la direction de propagation des ondes. C’est le cas du métal de base de part et d’autre des soudures, qui est constitué de grains aléatoirement orientés. Elle dépend de la taille, de la forme et de l'orientation des grains, et également du type d'ondes propagé : la diffusion est plus forte en mode transversal qu'en mode longitudinal [EDE 86].
En revanche, dans un milieu anisotrope tel qu’une soudure en acier inoxydable austénitique, l’atténuation est également fonction de la direction de propagation [AHM 92]. L'analyse de l'atténuation par diffusion dans le cas anisotrope est donc plus compliquée que dans le cas isotrope.
On distingue classiquement trois domaines de diffusion, selon le rapport de la longueur d'onde sur la taille moyenne des grains [PAP 65]. Chaque domaine est associé à une loi théorique du coefficient d'atténuation par diffusion αd. Elles sont données dans le Tableau 1.2, où λ est la longueur d'onde, d est la taille moyenne des grains, et f est la fréquence. On peut remarquer que lorsque les grains sont très grands par rapport à la longueur d'onde, c'est-à-dire dans le domaine géométrique, l'atténuation ne dépend plus de la fréquence.
onde incidente onde transmise
37
Domaine λ d Loi de αd Rayleigh >>1 ∝ d3f4
Stochastique ≅1 ∝ d f2
Géométrique << 1 ∝ 1 d
Tableau 1.2 : Définition des trois régions de diffusion.
La notion de taille moyenne des grains est à prendre avec précaution. En effet, dans le cas des métaux, selon le procédé de fabrication, la distribution des tailles de grains autour de la valeur moyenne peut être plus ou moins dispersée. D'autre part, la taille à prendre en compte est la dimension "vue" par les ondes. Pour un même matériau, elle dépend donc de la direction de propagation.