HAL Id: jpa-00230451
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Submitted on 1 Jan 1990
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GÉNÉRATION D’ULTRASONS DANS LES MATÉRIAUX PAR LASER IMPULSIONNEL CO2.
APPLICATION À LA MÉTROLOGIE SANS CONTACT
J. Longuemard, J. Chaari, B. Dupont, A. Tarrats-Saugnac
To cite this version:
J. Longuemard, J. Chaari, B. Dupont, A. Tarrats-Saugnac. GÉNÉRATION D’ULTRASONS DANS LES MATÉRIAUX PAR LASER IMPULSIONNEL CO2. APPLICATION À LA MÉTROLOGIE SANS CONTACT. Journal de Physique Colloques, 1990, 51 (C2), pp.C2-61-C2-64.
�10.1051/jphyscol:1990215�. �jpa-00230451�
J.P. LONGUEMARD, J. CHAARI, B. DUPONT et A. TARRATS-SAUGNAC
Laboratoire dlElectronique, Physique Appliquée et Productique, Ecole Centrale Paris. France
Résumé: La réponse acoustique de différents matériaux d des impulsions laser (C02, YAg et excimère a été étudiée
d
l'aide d'une sonde optique (donc sans contact). Les résultats permet tent dans tous les cas de mesurer les dimensions des échantil lons,et indiquent que l a réponse optimale est obtenue pour l e laser CO2.
Abstract : An optical probe was used t o test the acoustical response t o a laser pulse frOm different materials. Best resul t s are obtained w i th CO2 laser and this method can be used f o r distant measurements
Le problème de l a mesure de dimensions de pièces dans certains cas d i f f i c i l e s peut être résolu par l a mesure du temps de parcours d'une onde ecoustique entre deux points de la piece.Lagénération de cette onde dans l e matériau peut être réalisée au moyen d'un laser impul sionnel de durée d'impulsion Inférieure 4 1 OOns, la réception du signal acoustique étant assurée par une sonde piézo-électrique, ou par une sonde optique pour éviter tout contact avec l a pièce.Les travaux présentés i c i concernent d'une part l a relation entre l'intensité optique du faisceau laser et l'intensité ecoustique émise dans divers matériaux, d'autre part l'exploitation de l a réponse acoustique.
2- ANALYSE PHYSIQUE DU PHENOMENE
Les matériaux considérés n'étant pas transparents pour les longueurs d'onde utilisées une onde optique incidente frappant l a surface d'un matériau est en partie absorbée e t en partie réfléchie; un célcul classique montre que, pour un matériau métallique, l a fraction absorbée est comprise entre 1% et 6% de l'énergie incidente (pour une longueur d'onde de 10,6pm correspondant
d
un laser CO2). L'énergie transportée par l'impulsion laser doit donc être assez élevée mais l a puissance absorbée dans l e matériau ne doit pas dépasser 10 MW/cm2, s i l'on veut réaliser une mesure non-destructive, donc rester au-dessous du régime d'ablation en surface du matériau.(1,2,3,7)La zone de chauffe ainsi obtenue, très localisée, présente une surface de l'ordre du centième de mm2 et une profondeur correspondant d l a longueur de diffusion thermique donc de l'ordre de l 0 k m . Lasource peut donc être considérée comme quasi ponctuelle et l e f o r t gradient de température provoque une dilatation locale de l a matière, ce qui génère un 'Dirac' de contrainte qui engendre l'onde acoustique.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1990215
COLLOQUE DE PHYSIQUE
3-COMPORTEMENT ACOUSTIQUE DE LA CIBLE
Les contraintes générées se modélisent par un tenseur de contraintes qui est relié aux déformations par l a relation tensorielle classique: (4,5,6)
xij
=cijkl &kl où 'lij représente l a contrainteCijkl représente l e tenseur d'élasticité Ekl représente l a déformation relative
Ceci permet d'établir l'équation de propagation de l'onde qui se décompose en une partie rotationnelle (transverse, ~ t ) e t une partie irrotationnelle (longitudinale, 9'1). On obtient respectivement les c é l é r i t p d e ces ondes transverse et longitudinale par l'expression :
C
=
U et p : coefficients de Lamé)7
cL = ?/hp (p : masse volumique du matériau)
Ces deux types d'onde ont chacune leur propre atténuation e t peuvent être utilisés pour obtenir une information sur l e comportement interne du matériau.
La géométrie de l a pibce discrétisera les valeurs possibles des fréquences transmises : dans notre cas ,un cylindre favorisera les fréquences telles que l a demi- longueur d'onde corresponde d une de ses dimensions. Il est donc possible, 6 partir de l'analyse du signal reçu, de déduire les dimensions de l a pihce.
4-RESULTATS EXPERIMENTAUX
I l s concernent deux aspects: l e comportement du faisceau incident vis-d-vis de l a cible et l'analyse des résultats obtenus en détection soit par un capteur acoustique traditionnel soit par une sonde optique (figures 1 et 2), les échantillons, de forme cylindrique étant attaqués par le faisceau laser sur leur base ou l e long d'une génératrice sous incidence normale ou proche de l a normale.
Le premier aspect repose essentiellement sur l'analyse de l'amplitude des ondes acoustiques produites. Pour cette phase de l'étude, nous avons testé l'influence de l'intensité 1 e t de l a longueur d'onde optique h sur l a pression acoustique p en plaçant des atténuateurs optiquez sur l e t r a j e t du faisceau incident. On constate que p est proportionnelle d I tant que l'on n'atteint pas l e régime d'ablation (figure 3l.L'influence de l a longueur d'onde optique est résumée dans l e tableau ci-dessous.ll semble que l a rugosité de surface, de l'ordre du Pm, soit une des causes du mauvais rendement des ondes produites par laser YAg; d'autre part, des mesures sur de l'acier et de l'argile saturée en eau semblent montrer qu'une vsriation de l'angle d'incidence de 130' autour de l a normale à la surface d'impact n'a pas d'effet notable sur l e niveau acoustique.
[Tableau page suivante)
L'exploitation des données acoustiques (figure 4) est basée sur l a mesure du temps de parcours des ondes e t l'analyse spectrale du signal capté.Le temps de parcours mesuré dans de l'acier et dans de l'argile est respectivement de 6250 et 1450 m.s- 1, conformément aux prévisions.
L'analyse fréquentielle des échos captés doit fournir des informations sur l a géométrie de l a pièce: nous avons effectivement observé une résonance dans les cylindres lorsque l'une de leurs dimensions (parallèle a l a direction du faisceau incident) correspond a une deml- longueur d'onde .Ceci permet donc d'envisager l e mesure de pièces è partir de 18 mesure de l a longueur d'onde de résonance.
1 .O6
I
0.532 0.3
Les mesures présentées montrent que l a création d'ondes thermo-élastiques, toujours possible, est favorisée par l'utilisation d'un laser CO2 , du moins pour des matér!aux optiquement rugueux, et permet l a mesure sans contact de dimensions de pièces lorsqu'on
5 0 m v 12mv 0.5 v 5 mv
12mv 1 v
Références
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/4/ E.Dieulesaint e t 0.Royer Ondes élastiques dans les solides, Masson, Paris 1974 /5/ D.C.Gakenheimer , J.of Applied Mechanics ( 197 1 ) 99
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11mv 2 5 0 m v
2 v
10mv 1 0 0 m v i
I
I V
Figure 1
C I R E 3 ou WLASER EACWSTlPUE DE DETECTlWi AMUSTIPUE
COLLOQUE DE PHYSIQUE
l relative
Figure 2- Pression acoustique en fonction de l'intensité du faisceau laser
FIGURE 3-Synoptique optique e t interféromètre.
a) source, c) lame quart d'onde, e) analyseur, f) détecteur, g) miroir de renvoi, b l ) cube séparateur, b2) prisme de Dove, b3) cube polariseur, b4) cellule de Bragg
. - l W - V l d > v O . < X ) V 2 0 . 0 ~ - / J i * - 1 6 . W v s t
et
-
IO dB ; G-
50 da r laiton r L-
14.5 cnFigure 4- Exemple de rhponse: cas du laiton
