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1.3. Atténuation et bruit de structure

1.3.3. Méthodes de mesure de l'atténuation ultrasonore

Les méthodes de caractérisation sont nombreuses. Celles utilisées pour mesurer l'atténuation ultrasonore peuvent être regroupées en trois catégories principales :

- les mesures au contact, pour lesquelles le (ou les) transducteur(s), piézoélectriques, sont en contact direct soit avec la pièce via un couplant, soit avec une pièce tampon elle-même en contact avec la pièce à caractériser,

- les mesures sans contact, c'est-à-dire les méthodes de mesure ne nécessitant aucun intermédiaire spécifique entre le capteur et la pièce,

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- les mesures en immersion, où les transducteurs, piézoélectriques, peuvent être plus ou moins éloignés de la pièce, le dispositif étant plongé dans l'eau afin de permettre une meilleure propagation des ondes ultrasonores.

Elles présentent toutes diverses sources d'erreur déterministes et/ou aléatoires. Generazio [GEN 85] fait remarquer qu'il existe un lien entre la technique expérimentale de mesure utilisée et les résultats expérimentaux obtenus. Par exemple, l'effet de diffraction du faisceau ultrasonore, dû à sa dimension finie, introduit une erreur systématique dépendante de la fréquence et de l'espace. Il est donc important de bien connaître les limites et incertitudes de la méthode de mesure utilisée. Cela montre la complexité à mesurer l'atténuation intrinsèque d'un matériau.

Toutes les méthodes de mesure sont fréquemment associées à une méthode de traitement du signal : la spectroscopie. C’est une technique qui permet de déterminer la relation de dispersion dans les matériaux dispersifs. Cette approche, basée sur l'analyse spectrale d'échos successifs, a été développée par Sachse et Pao [SAC 78], en 1978. Elle est actuellement très utilisée pour la caractérisation des matériaux.

Cependant, dans ce type de méthode, il est nécessaire de prendre en compte plusieurs phénomènes importants pour avoir une mesure de l'atténuation précise. Les deux principaux phénomènes pouvant altérer la précision de la mesure sont :

1. la diffraction (ou divergence) du faisceau se propageant, susceptible d’induire une perte d'énergie qui n’est pas causée par le matériau lui-même,

2. la propagation dans le milieu couplant, entre le capteur et le matériau, en particulier pour les méthodes au contact.

Il est possible de s'affranchir des problèmes de diffraction, car des formules permettent de corriger cette erreur [PAP 73], bien que ce problème soit plus complexe pour les matériaux anisotropes comme nous l’avons indiqué dans les paragraphes précédents. En revanche, la question du couplant paraît plus difficile à résoudre.

1.3.3.1. Méthodes au contact

Les mesures d'atténuation au contact s'effectuent avec un ou deux transducteurs ultrasonores positionnés directement contre la pièce ou par l'intermédiaire d'une pièce tampon ou d'un sabot, avec une fine couche de couplant (Figure 1.24). Ce type de mesure est utilisé lorsque le

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matériau à caractériser est très fortement atténuant (le contact direct évite la perte d'énergie par réflexion à la première interface) et/ou lorsque les conditions environnementales ne permettent pas une autre méthode, les mesures au contact étant les plus faciles à mettre en œuvre. Plusieurs auteurs travaillent au contact pour mesurer vitesse et atténuation ultrasonore dans les bétons [GOU 02, OUL 02] ou relier l'atténuation à la taille des grains dans certains métaux [NIC 92].

Figure 1.24 : Principe de la mesure au contact, en mode réflexion.

Le principe de la mesure de l'atténuation ultrasonore par contact en réflexion (Figure 1.24) repose sur l'acquisition de plusieurs échos successifs. Le transducteur piézoélectrique génère un faisceau d'ondes planes qui se réfléchit en fond de pièce et revient vers le transducteur. Le signal de chaque écho est traité par transformée de Fourier, et l'atténuation peut être calculée dans le domaine fréquentiel par le biais de la formule :

( ) ( )

( )

⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = f S f S log D f 2 1 20 2 1 α (1.27)

où D est l'épaisseur de l'échantillon.

Cependant, comme nous l'avons souligné précédemment, ces méthodes présentent le problème non négligeable de maîtrise des coefficients de réflexion/transmission au niveau du couplant, en particulier pour des mesures d'atténuation. En effet, il est très difficile d'une part de déterminer l'épaisseur du couplant et les phénomènes de réflexion et de transmission aux interfaces capteur/couplant/solide, et d'autre part de reproduire une mesure dans des conditions de couplage identiques.

couplant pièce transducteur échos successifs observés sur l'oscilloscope envoi d'une impulsion t V

49 1.3.3.2. Méthodes sans contact

Les méthodes de mesures d'atténuation sans contact ne nécessitent aucun milieu spécifique entre le capteur et la pièce. Elles permettent donc de s'affranchir du problème de couplant précédemment évoqué. On retrouve dans cette catégorie deux types de mesures :

Les mesures par laser :

La vibration du faisceau laser sur la surface du matériau génère des ondes ultrasonores dans le solide. Le fait de focaliser le faisceau laser incident permet en plus d'éviter la diffraction [POU 93]. Cependant, les mesures par laser se limitent à l’incidence normale, et les ondes générées sont des ondes sphériques, ce qui complique la mesure d'atténuation. De plus, la mesure par laser est très ponctuelle et implique qu'une très petite partie du matériau est insonifiée. Or il est préférable pour nos mesures d'avoir un large faisceau afin de moyenner sur un assez grand nombre de grains.

Les mesures par EMAT :

Les forces de Laplace induites à la surface par le capteur EMAT génèrent une vibration ultrasonore dans le matériau [OGI 95]. Cette technique est applicable aux matériaux conducteurs uniquement, tels que les métaux. De plus, elle présente l’inconvénient d’avoir un faible coefficient de conversion, ce qui pose problème en particulier pour les matériaux fortement atténuants comme nos soudures. En effet, les mesures d'atténuation seront d'autant moins précises que l'amplitude mesurée est faible.

Comme pour les mesures au contact, le principe des mesures sans contact repose sur l'acquisition d'échos successifs. Ces deux types de mesures permettent également de s'affranchir de la question de réflexion à la première interface. Elles présentent cependant des inconvénients non négligeables pour les mesures que nous voulons effectuer, et elles sont moins faciles à mettre en œuvre matériellement que des dispositifs avec des capteurs piézoélectriques.

1.3.3.3. Méthodes en immersion

Les mesures en immersion s'effectuent dans une cuve remplie d'un liquide couplant (généralement de l'eau) et dans laquelle on dispose le (ou les) transducteur(s) ainsi que l'échantillon à caractériser. Les méthodes en immersion sont les méthodes les plus

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fréquemment utilisées pour leur meilleure précision et leur bonne reproductibilité par rapport aux méthodes de contact, ainsi que pour leur relative simplicité de mise en œuvre.

Lorsqu'on fait des mesures d'atténuation en immersion, il faut considérer l'atténuation dans le liquide couplant, afin de ne pas surestimer l'atténuation dans le matériau étudié. Le couplant est généralement l’eau, dont l’atténuation à 20°C est donnée par la formule [KAY 95] :

( )

4 2 10 17 2, . f f eau = α (dB/mm) (1.28)

où f est la fréquence, exprimée en MHz.

L’atténuation dans l'eau est très faible (αeau = 1,1.103dB/mm à 2,25 MHz) et la plupart du temps négligeable, en particulier pour les mesures sur les matériaux très atténuants.

Diverses méthodes en immersion ont été développées : en émission-réception ou en transmission, par l'acquisition d'échos successifs uniquement ou en utilisant le liquide couplant comme milieu de référence (Figure 1.25).

Figure 1.25 : Exemples de dispositifs en immersion : (a) réflexion avec échos successifs [KUM 96, BAD 03], (b) transmission avec mesure de référence [JEO 95, WAN 01].

Le dispositif en transmission avec mesure de référence est la méthode classique de mesure de l’atténuation, la plus couramment utilisée. Ce type de technique permet de mesurer la dispersion de vitesse et d'atténuation, à l'aide de transducteurs large bande. La connaissance de la vitesse donne accès au coefficient de transmission global classique en incidence normale, dont la formule, pour une fréquence donnée, est :

( )

2 2 2 1 1 2 2 1 1 4 V V V V T ρ ρ ρ ρ + = (1.29)

lorsque les ondes traversent un milieu homogène 2 inséré dans un milieu homogène 1.

Cette formule est limitée à l’hypothèse d’incidence normale du faisceau, et néglige l’ouverture du faisceau.

E R

E R

transducteur

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1.3.3.4. Choix de la méthode de mesure : immersion et transmission

Les mesures au contact sont les plus simples à mettre en œuvre, et très efficaces pour effectuer des mesures de vitesse. En revanche, les problèmes de propagation dans le couplant et le manque de reproductibilité en font des méthodes peu adaptées à la mesure précise de l’atténuation intrinsèque.

Les mesures sans contact sont quant à elles plus difficiles et plus coûteuses à mettre en œuvre. Nous avons montré qu’elles présentent de plus des inconvénients non négligeables pour les mesures que nous voulons effectuer.

Nous choisissons donc de travailler en immersion. Le laboratoire disposant d'un dispositif de mesures ultrasonores en immersion performant, en particulier pour l'évaluation des constantes d'élasticité par mesures de vitesses en incidence variable, nous l’utilisons pour une application simple en transmission, en incidence normale.

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