Méthode expérimentale pour l'analyse de la structure d'une onde de choc dans un solide

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Méthode expérimentale pour l’analyse de la structure d’une onde de choc dans un solide

C. Peyre, J. Pujol, J. Thouvenin

To cite this version:

C. Peyre, J. Pujol, J. Thouvenin. Méthode expérimentale pour l’analyse de la structure d’une onde

de choc dans un solide. Journal de Physique, 1966, 27 (3-4), pp.195-200. �10.1051/jphys:01966002703-

4019501�. �jpa-00206387�

TABLEAU II

VITESSE DE DÉTONATION DE MACH D

ENTRE LES ABSCISSES X ET

(X

^-

5)

^mm

mesure des vitesses nettement

supérieures.

^Ceci

prouve que la détonation de Mach est bien apparue, et que lors de ^sa formation elle

jouit

^{d’une vitesse}

initiale très

élevée, qui

^lui

permet

^de

s’élargir rapi-

dement.

Nota : Le

dispositif

^{de la}

figure

^{5 a été}

également

utilisé pour induire des ondes de Mach dans le

cuivre,

^{le bloc}

d’explosif

^{à évidement}

conique

^étant

remplacé

par ^un bloc

identique,

^{mais en cuivre. On}

a mesuré ainsi des

pressions

de choc de 4

mégabars,

la

charge d’explosif

utilisée n’étant _que de

1,5 kg.

Ceci confirme _que la

description

^du

phénomène

donnée ci-dessus est correcte.

5.

Conclusion.

^- Confrontant les résultats des

paragraphes

^{3 et}

4,

^on

peut

décrire ainsi le

dévelop-

pement

^de l’onde de détonation de Mach :

- une

phase

^de

formation,

^{où la}

vitesse,

^initia-

lement très

élevée,

^décroît

rapidement.

^Corrélati-

vement, ^{la zone de Mach}

s’élargit ;

- une

phase stationnaire,

^où la vitesse de déto- nation reste constante ainsi que la

largeur

^{de la}

zone. Bien

entendu,

^cette

phase

^n’existe que si les conditions d’incidence sont

stationnaires ;

- une

phase

^{de retour à} la détonation

normale, qui

^se

développe

dès que les conditions d’incidence

ne sont

plus

stationnaires.

Par

ailleurs,

l’onde de détonation de Mach offre un

intérêt

particulier

pour l’obtention de

pressions

^de

choc élevées dans les milieux inertes sous un volume réduit.

Manuscrit _reçu le 13 août 1965.

RÉFÉRENCES [1]

^DUFF

(R. E.)

^{et HOUSTON}

(E.),

^{J. Chem.}

Physics

1955, 23, 1268. [2]

^THOUVENIN

(J.)

^{et ARGOUS}

(J. P.),

C. R. Acad.

Sc., Paris, 1964, 258, 1725.

MÉTHODE EXPÉRIMENTALE

POUR

L’ANALYSE

DE LA STRUCTURE D’UNE ONDE DE CHOC DANS UN SOLIDE

Par C.

PEYRE,

^{J. PUJOL et J.}

THOUVENIN,

Commissariat à

l’Énergie Atomique, ^Paris,

^France.

Résumé. ²⁰¹⁴ Le

dispositif expérimental présenté

permet ^{de mettre en évidence le nombre} d’ondes de choc

qui

parcourent ^{un solide au cours d’une}

expérience donnée,

^{et de mesurer}

leur vitesse et leur

pression.

^Le

principe

^{consiste à faire aborder}

obliquement

^{la face de sortie}

du solide par les ondes de

choc,

^de

façon

^à

enregistrer

^à l’aide d’une caméra à fente les

dépla-

cements successifs de

l’image

^{d’une source} lumineuse fixe. Le caractère fondamental du

phé-

nomène de

choc,

c’est-à-dire son aspect

discontinu,

^est ainsi observé directement ^sur le film.

Le

dispositif

^a

plusieurs variantes,

^suivant que le corps étudié reste ou non réfléchissant

sous l’effet du choc.

Il est

appliqué

^à l’observation des

précurseurs élastiques

dans les chocs

faibles,

^à

l’analyse

des transitions

d’état,

^{et d’une}

façon générale

^à la recherche de toutes les causes de dédou- blement d’onde de choc.

La transition du fer à 135 kilobars est montrée à titre

d’exemple.

Abstract. ²⁰¹⁴ The

experimental

^device

presented

^here

brings

^to

light

^{in a}

single experiment

the number of shock waves

traveling

^{in a}

solid,

^their

velocity

and pressure.

The basic idea is to have the

outcoming

^{shock waves} reach the surface of the solid slan-

tingly,

^{to make it}

possible

^to record the successive

displacements

^{of the}

image

^{of a} fixed lumi-

nous source with a streak camera. This way, the fundamental character of the shock

pheno-

mena, i.e. its discontinuous aspect ^{can be observed on the film}

directly.

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 27. MARS-AVRIL 1966, ^{PAGE 195.}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01966002703-4019501

Several

slightly

^different

designs

^{of this device can be used}

depending

wether the solid remains

reflecting

^{or not when submitted to the shock effects.}

Such a methodis

used,

^to observe the elastic precursors of low pressure ^wave structures, ^to survey transitions of state and in

general

way ^to

investigate

^{the causes of a} double shock structure.

Shown as an

example,

^the

polymorphic

transition of iron ^at 135 kb.

1. Introduction : Différentes structures d’onde de choc dans un solide. ^- La structure la

plus simple

d’onde de choc se

propageant

^{dans un solide au} repos ^est celle d’un saut de

pression quasi-instantané

portant

^{le solide de la}

pression atmosphérique

^{à une}

pression

^de

plusieurs

^{dizaines ou centaines de kilo-}

bars. L’onde est alors

représentée

par ^un front vertical suivi d’un

profil

^en

général décroissant,

selon l’influence des ondes de détente issues de l’arrière du

système générateur

^{de choc. Cette onde}

reste

stable,

c’est-à-dire

unique,

^{dans un certain}

domaine de

pression.

On connaît

cependant

^deux structures

plus

^com-

plexes

^{de l’onde de choc}

[1] :

a)

^La

pression

^du choc incident est suffisamment faible _{pour que} l’onde de choc ait une vitesse infé- rieure à la vitesse des ondes

élastiques longitudinales

dans le solide. Dans ce cas, ^une onde

élastique,

^de

pression limitée, précède

^l’onde de choc. Ce

phéno-

mène a été notamment observé par Fowles

[2]

^avec

des chocs

obliques

^dans l’aluminium.

b)

^{Le solide}

peut subir,

^sous l’effet d’un choc de

pression

suffisamment

élevée,

^une transition cristal- line. Si la

pression

^est

supérieure

^{au seuil où}

apparaît

la

transition,

mais n’est _pas toutefois

trop élevée,

^le

choc se

sépare

^en deux ondes : la

première porte

^le solide à une

pression égale

^{à la}

pression

^{de transi-}

tion ;

^{la seconde}

complète

^{à la}

pression

^{finale. On}

démontre en effet

[1]

que la vitesse de la

première

onde est

obligatoirement supérieure

^à celle de la seconde. Ce dédoublement de l’onde de choc associé à une transition cristalline a été mis en évidence

expérimentalement

par

plusieurs

^auteurs

[3-4]

^dans

le cas du fer et du bismuth.

Nous avons cherché à observer directement la structure de l’onde de choc dans tous les cas décrits

ci-dessus,

par ^une méthode

optique inspirée

du pro- cédé mis ^au

point

par Fowles

[2],

^mais

appliquée

^à

des chocs frontaux.

La méthode

permet :

- de mettre en évidence

l’apparition

^de

plusieurs ondes,

^{donc de}

signaler

l’existence d’une transition cristalline dans le solide

étudié,

^ou d’observer les conditions de formation d’un

précurseur élastique ;

- de mesurer la vitesse et la

pession

^{de ces}

ondes.

2.

Principe

^{de la méthode}

expérimentale. -Une

onde de choc

plane,

issue de la détonation d’une cartouche

d’explosif,

^se propage dans ^un socle

métallique (fig. 1).

^{Sur ce socle est}

placé

^un

prisme

du solide à étudier. La surface libre du

prisme

^est

polie,

^{et réfléchit en}

S, l’image

^{d’une source lumi-}

neuse S. Au passage de l’onde de

choc,

la surface

libre,

^atteinte

obliquement,

^{subit une rotation oc et}

l’image

^{de S est}

déplacée

^en

S,.

^Si l’onde de choc a une structure

complexe,

^elle provoquera des rota-

tions successives de la surface

libre,

^{donc des}

posi-

tions

S2, S2, ..., de l’image

^de

S,

que l’on

enregistre,

en fonction du

temps,

^{sur une caméra à fente. La}

mesure des

déplacements S, S2, S, S2,

etc...,

permet

de remonter aux rotations _oc,

oc,

^{..., et de ces rota-}

tions aux

pressions

^{des créneaux} successifs de l’onde de choc.

FiG. 1. ^- Schéma de

principe.

L’intérêt essentiel de la méthode est que le carac-

tère fondamental du

phénomène

^de

choc,

^sont

aspect discontinu,

^est mis directement en évidence _par le

déplacement

discontinu d’une

image,

^{et non} par ^un

changement

^de

pente

^{dans un}

diagramme

^{de marche}

(x, t)

^continu.

Les

photos présentées plus

^loin

reproduisent quasi-fidèlement

^le

profil

^{de l’onde de}

pression qui

parcourt

^{le solide.}

a)

^ROTATION DE LA SURFACE LIBRE

PROVOQUÉE

PAR UNE ONDE DE CHOC OBLIQUE. ^- Soit D la vitesse de l’onde de choc

lorsqu’elle

^{arrive en un}

point

^{A de la surface libre}

(fig. 2),

^{formant un}

angle ~

^{avec celle-ci. La} discontinuité de vitesse

propagée

par l’onde de choc dans le solide a une

amplitude

^u.

L’onde de choc se réfléchit en A en ondes de

détente, qui communiquent

^à la matière un

supplé-

ment de vitesse habituellement

désigné

par ci, inté-

grale

^de

Riemann,

^{dont la valeur est} très peu diffé-

rente de u

[1].

Nous admettons _que le vecteur «

fait avec la normale en A à la surface libre un

angle égal

^à

~3.

^{La vitesse} résultante du

point

^{A est alors}

FIG. 2. ^- Rotation de la surface libre.

un vecteur un, normal à la surface

libre, d’amplitude :

D’où

l’angle

^{de rotation} de la surface libre :

~

^{MESURE DE L’ANGLE} DE ROTATION ~x. ^- La

source lumineuse S

3)

^{est en fait une}

fente, placée

normalement au

plan

^{de la}

figure,

^{à une}

distance SH = d de la surface libre

(M)

^du

prisme.

L’image

^{de cette} fente donnée par

(M)

^{est vue en}

S,

par

l’objectif

^{de la}

^caméra,

dont la fente d’obser- vation est

perpendiculaire

^{à la} fente lumineuse S.

FIG. 3. ^- Mesure de

l’angle

^ce.

Lorsque

l’onde de choc arrive en

A,

^{la surface}

libre

déjà

^atteinte par le choc a tourné de

l’angle

^ce,

et se trouve dans la

position (M’). L’objectif

^{de la}

caméra voit alors deux

images

^{de S :}

- l’une

Si,

^{à travers}

(M)-incidence

^en

I1;

-- l’autre

S2,

^{à travers}

( M‘ )-incidence

^en

I ~.

Les deux _rayons réfléchis étant

parallèles

^entre

eux

(observation

^à

l’infini),

^les rayons incidents

SI,

et

S I2

^{font entre eux}

l’angle 2x, quelle

que soit la

position

^{de A sur}

(M).

^{La seconde}

image

^{de S} appa- raît donc

lorsque

l’onde de choc arrive en un

point

^J

défini _{par :}

Cette

image apparaît

^en

(S~)o,

^et l’écartement vu

par la ^{caméra vaut :}

ou :

Lorsque

l’onde de choc progresse de J vers

Il, l’image S~

^se

déplace légèrement

^{vers la}

^droite,

^mais

dans les

montages utilisés,

^{un calcul}

simple

^montre

que ^ce

déplacement

^est

toujours

^{inférieur à 5}

%

^de

la valeur _ao.

Enfin, lorsque

l’onde arrive en

I1, l’image S, disparaît.

Une

analyse plus

^{détaillée de}

l’optique

^du

dispo-

sitif montre que, pour faire des ^mesures

précises

^{de oc,}

il faut fermer le

diaphragme

^de

l’objectif

^{au maxi-}

mum, ^{et se}

placer

^à

plusieurs

^{distances focales.}

Si l’on

prévoit

^{que la rotation oc sera}

^faible,

^par

exemple

^de l’ordre de

quelques ^minutes,

^{on aug-}

mente la distance d

séparant prisme

^et

^flash,

^de

façon

^{à obtenir un}

déplacement

ao mesurable. Inver- sement, ^{si l’on}

prévoit

que ^{oc sera}

grand,

on

rapproche

^{le flash.}

C)

^MONTAGNE EXPÉRIMENTAL

(fig. 4).

^{- La source}

lumineuse S est constituée de

plusieurs

^fentes

paral- lèles,

^{usinées dans une}

plaque

^de

plexiglas

^{noir et}

disposées

^à l’extrémité d’un flash à argon

4).

L’emploi

^de

plusieurs

^fentes

^permet

^{en effet de}

mesurer la vitesse D de l’onde de choc par les inter- valles de

temps séparant

^les

apparitions

^des

images S2.

Le

prisme métallique

^{a un}

angle

^{au sommet de}

fi

⁼ 20°. Deux versions ont été utilisées :

- le socle

séparant l’explosif

^{et le}

prisme

^est

constitué d’un métal dont les

caractéristiques

^de

choc sont connues

(par exemple

^{cuivre ou alumi-}

nium).

^Le

prisme

^{est constitué du métal à étudier.}

Cette version convient pour l’étude des ondes élas-

tiques,

^et

chaque

^fois que le matériau étudié

peut

être facilement

poli ;

- si le métal étudié ne

peut

^être

poli,

^{ou s’il se}

dépolit

^sous l’effet du

choc,

^{il constitue} le socle. On utilise alors pour le

prisme

^un métal facile à

polir (Cu, Al),

^{dont les}

caractéristiques

^{de choc sont}

connues.

Un dédoublement éventuel de l’onde de choc dans le métal à étudier est transmis au métal du

prisme

sous forme de deux chocs successifs : mais cette

fois-ci le second choc tend à

rattraper

^le

premier,

car le métal du

prisme

^ne

possède

pas de transition cristalline. Pour observer

quand

^{même le dédou-}

FIG. 4. ^-

Dispositif expérimental.

blement,

^il

suffit

le retard

pris

^{par le second}

choc sur le

premier

dans le métal du socle ne soit pas annuié ^{au cours} de la traversée du

prisme :

^on

choisit donc un socle

épais

^{et un}

prisme

^mince.

3.

Analyse

^des

précurseurs élastiques.

^{-- Nous}

avons cherché à les observer dans deux cas : fer Armco et

quartz.

^Le

montage expérimental

^est

utilisé dan", sa

première

^{version : socle en aluminium}

ou en

cuivie, prisme

^{en f er ou en}

quartz.

a)

FER ARMCO. - On choisit

l’explosif

^de

^façon

^à

avoir une

pression

de choc de 120 kilobars dans

l’aluminium,

soit 170 kilobars dans le

prisme

^{en fer.}

Un

enregistrement

^est

présenté

^{sur la}

photo.

^{1 : on}

observe un

premier déplacement

^des

images

^des

sources, de faible

amplitude, qui

^{est dû à l’onde}

élastique précédent

l’onde de

choc ; puis,

^{au bout}

d’un

temps

^{croissant avec}

l’épaisseur traversée,

^dis-

parition

^{de ces}

images

^{due à} l’arrivée de l’onde de choc. Celle-ci _provoque ^une rotation

beaucoup plus importante

^{de la surface libre du}

prisme, qui

^sera

analysée plus

^loin.

Cet

enregistrement permet

^{de mesurer la vitesse} de l’onde

élastique

^{et celle} de l’onde de choc. Le

tableau 1 donne les valeurs mesurées lors de

quatre

essais.

TABLEAU 1

VITESSE DES ONDES DANS LE FER ARMCO

L’enregistrement permet

^{de mesurer}

également

^la

vitesse matérielle u derrière l’onde

élastique,

^par

l’intermédiaire de la formule

(1),

^{la vitesse D étant}

mesurée par ailleurs. Le tableau 2 donne les résultats obtenus au cours d’un même essai _pour

lequel

^{on a}

mesuré D ^.=

6,00

TABLEAU 2

ÉVOLUTION

^DE L’ONDE ÉLASTIQUE ^{DANS LE FER ARMCO}

Il

apparaît

que la

pression

^{de l’onde}

élastique

diminue au cours de son

trajet

^{dans le}

fer, phéno-

mène à

rapprocher

^de l’affaiblissement des ondes

sonores dans un solide. La

présence

^{de l’onde de}

PHOTOGRAPHIE No 1.

Onde

élastique

^{dans le fer.}

PHOTOGRAPHIE No 2.

Onde

élastique

dans le quartz.

choc derrière l’onde

élastique

^ne

peut

^{influer sur cet}

affaiblissement, puisque

^cette onde de choc a une

vitesse inférieure.

b) QUARTZ.

^{- Des ondes}

élastiques

^de

pression

élevée ont été observées dans le

quartz

par Wackerle

[5].

Nous retrouvons le même ordre de

grandeur

par notre

dispositif.

^La

photo.

^{2 montre un}

enregis-

trement obtenu avec un

prisme

^de

quartz

^{dont l’axe}

est

parallèle

^{à la direction du choc : on observe le}

déplacement important

^{dû à l’onde}

élastique,

^suivi

de celui dû à l’onde de choc. Le tableau 3 et le

graphique

¹ donnent les résultats des _mesures, en

bon accord ^avec ceux de

Wackerle.

TABLEAU 3

ONDE ÉLASTIQUE ^{DANS LE} QUARTZ

GRAPHIQUE

^{1. -}

Diagramme p(u)

pour l’onde

élastique

dans le

quartz.

4.

Analyse

d’ondes de choc. ^- On

présente

successivement le cas d’une onde de choc

simple

^dans

le duralumin

AU4G,

^{le cas d’une} onde de choc avec

dédoublement dans le fer

Armco,

^{et le cas d’une}

onde de choc

simple

^suivie de réflexions d’ondes sur

les interfaces d’un socle

composite.

a)

^ONDE DE CHOC DANS LE DURALUMIN AU4G. -- Socle et

prisme

^sont constitués du même

métal,

^le

duralumin AU4G. On _y induit des chocs de pres- sions variées.

Dans le cas où la

pression

^{de choc est assez}

faible,

par

exemple

¹²⁰

kilobars,

^{on observe}

(photo. 3)

^un

précurseur élastique précédant

^de très peu l’onde de choc. La

pression

^{de l’onde}

élastique

^{est de l’ordre}

de 8

kilobars,

^{et sa} vitesse de l’ordre de

6,6

Le

déplacement

^{dû à l’arrivée} de l’onde de choc est nettement

visible,

^et

permet

^{des mesures}

précises.

Celles-ci sont

portées

dans le tableau 4.

TABLEAU 4

ONDE DE CHOC DANS AU4G

Dans le cas de chocs

plus ^intenses,

^{dont la vitesse}

est de l’ordre de

7,5

^{et la}

pression

^{350 kilo}

bars,

^{on constate} que le

précurseur élastique

^{ne se}

forme _pas. L’onde

élastique n’apparaît

que si la vitesse de choc est inférieure à

6,6 mm!f1s,

^soit pour

une

pression

^{de choc} inférieare à 160 kilobars.

PHOTOGRAPHIE No 3.

Onde de choc dans le duralumin AU4G.

PHOTOGRAPHIE No 4.

Ondes de choc dans le fer Armco.

6)ONDE

^{DE CHOC} DANS LE FER ARMCO. - L’observation de la transition du fer à 135 kilobars décrite _par les auteurs cités en réf.

[3-4]

^{a été faite}

en utilisant les deux versions de la méthode

exposée

en 2.c.

TABLEAU 5

PREMIÈRE ONDE DE CHOC DANS LE FER

La

photo.

⁴

représente

^un

enregistrement

^{obtenu à}

l’aide d’un

prisme

^{en fer}

placé

^{sur un socle en AU4G.}

Les

déplacements

successifs de

l’image

^{des sources}

dus à l’onde

élastique

^{et aux} deux ondes de choc

sont nettement visibles. On constate

également,

par l’observation des

pentes

^{des divers}

décrochements,

que les vitesses de ces trois ondes sont en ordre décroissant. Le tableau 5 donne les valeurs mesurées pour la

première

onde de choc.

y Ces résultats sont en bon accord avec le

point

^de

transition du fer donné en

[4] :

L’enregistrement

^{de la}

photo.

^{4 met donc direc-}

tement en évidence le dédoublement de l’onde de choc lié à une transition cristalline.

La

photo. 5

^se

rapporte

^{à un}

montage

^{de la} seconde version : le fer est

placé

directement sur

l’explosif,

^{et les mesures sont faites sur un}

prisme

^de

cuivre

placé

^{sur le socle en} fer. On observe encore les deux ondes

successives,

^{mais cette}

fois,

la seconde onde va

plus

^{vite que la}

première ;

^{c’est la} preuve que :

-- l’onde de choc s’est bien dédoublée dans le

fer;

PHOTOGRAPIIIE No 5.

Ondes de choc dans le fer Armco.

PHOTOGRAPHIE ^NO 6.

Ondes de choc suivie d’ondes de

compression.

- une onde de choc double _{n’est pas} stable dans

un métal sans transition comme le cuivre.

Les

paramètres

de choc du cuivre mesurés pour la

première

^{onde sont} p ⁼ 135 kilobars et u ⁼

0,330 mm/03BCs.

Les

polaires

de choc du cuivre et du fer sont donc

concourrantes au

point

^de transition du fer Armco.

c)

^{ONDE DE CHOC SUIVIE D’ONDES} DE COMPRES- SION. ^--- Si le socle est constitué de matériaux de

natures

différentes,

^{les ondes de détente issues de la}

surface libre vont subir des réflexions lors de la traversée des divers interfaces. Dans

l’expérience présentée ici,

^{le socle est}

constitué,

^à

partir

^de

l’explosif,

^{de 15 mm de}

cuivre,

^{de 5 mm de}

plexiglas,

et de 5 mm de duralumin

AU4G ;

^{sur le socle est}

placé

^un

prisme

^{en AU4G.}

Lorsque

^{l’onde de choc}

arrive à l’interf ace

plexiglas-AU4G,

^{elle crée dans}

le

plexiglas

^{un état de}

pression supérieure

^{à la}

pression apportée

^{par l’onde}

incidente,

par suite de la réflexion sur l’AU4G. Plus

tard, lorsque

^{les ondes}

de détente issues de la surface libre du

prisme

^ren-

contrent à nouveau l’interface

plexiglas-AU4G,

^elles

se réfléchissent en ondes de

compression :

^{ce train}

d’ondes de

compression repart

^vers

l’avant,

^et pro- voque ^un accroissement

progressif

^de la vitesse maté- rielle de

l’AU4G,

entraînant une seconde rotation de ^sa surface libre.

C’est ce que ^montre

l’enregistrement

^{de la}

photo. 6,

sur

lequel

^on observe : le

précurseur élastique (l’onde

de choc dans l’AU4G a ici une

pression

de 120 kilo- bars

environ),

^{l’onde de choc incidente}

qui

provoque

un

déplacement

^{net des}

images

^{des sources,}

puis

l’arrivée des ondes de

compression qui déplacent progressivement

^les

images

^{vers la} droite. Un second train d’ondes de

compression

^{est observé encore}

plus

tard.

Le

dispositif

^{mis au}

point ^permet

donc de dis-

tinguer

^{entre une} onde de choc et des ondes de

compression

étalées dans le

temps.

Manuscrit _reçu le 13 août 1965.

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