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1 ONDES DE RAYLEIGH GÉNÉREES ET DÉTECTÉES PAR LASER

APPLICATIONS À LA DÉTECTION DE DÉFAUTS

LASER GENERATED AND DETECTED RAYLEIGH WAVES

APPLICATIONS TO FLAWS DETECTION

F. FAËSE, F. JENOT, M. OUAFTOUH, M. DUQUENNOY

IEMN DOAE, Université de Valenciennes, UMR CNRS 8520

Le Mont Houy 59313 VALENCIENNES CEDEX 9

Tél. +33 (0)3 27 51 12 39 Fax. +33 (0)3 27 51 11 89 e-mail : frederic.faese@univ-valenciennes.fr

RÉSUMÉ

Les ultrasons-laser sont une technique d'avant-garde pour le contrôle et l'évaluation non destructifs des matériaux qui intéresse de plus en plus diverses industries comme

rapide, autorise le contrôle même pour des températures élevées du matériau et s'adapte à

s'avère difficile. la propagation des ondes de

par interférométrie. Différentes configurations expérimentales sont présentées, notamment

de surface. En dehors des ondes de Rayleigh réfléchies et transmises par le défaut, ces essais montrent la présence -ci.

ABSTRACT

Industries like aeronautics or iron and steel industry are more and more interested in laser ultrasonics, which is a cutting-edge technique used in non-destructive testing and evaluation. The main advantage of this acoustic wave generation and detection method is its non- contact feature. It also enables fast, high temperature material controls and is adapted to geometrically complex materials whose conventional methods implementation turns out to be difficult. The effects of a slot on the Rayleigh waves propagation in an aluminium sample are presented. The surface waves are generated by a pulsed Nd:YAG laser and detected by interferometry. Among different experimental set ups considered is the influence of the angle between the flaw and the surface wave propagation direction. Having taken into account the reflected and transmitted Rayleigh waves, other waves carrying information about the flaw are presented. 2

INTRODUCTION

Les processus

désormais bien connus et sont de plus en plus utilisés pour des applications de contrôle et s piézoélectriques), les ultrasons-

contact, une résolution spatiale importante, une large bande passante et la possibilité

e complexe. laser Nd:YAG impulsionnel [2]. Afin de ne pas endommager la structure étudiée, la densité it être inférieure au seuil

les métaux. Dans ce cas, les ultrasons sont générés en régime thermoélastique et pour les

matériaux métalliques, la source laser engendre essentiellement des forces tangentielles à la

t

Rayleigh générée

différentes ondes, nous mettons clairement en évidence la présence de ce défaut et étudions

-ci par rapport à la directio

PROPRIÉTÉS DES ONDES DE RAYLEIGH

Les ondes de Rayleigh sont les seules ondes acoustiques de surface pouvant se propager dans un solide isotrope semi- particules du matériau décrivent un mouvement elliptique dont la composante verticale est plus important décroit exponentiellement en profondeur à partir de la surface du matériau. Nous pouvons

Nous désignons par vT et vL

vitesse vR

Cette vitesse est légèrement inférieure à la vitesse transversale du matériau. Une solution

approchée est donnée par la relation suivante [6] : 3 où est le coefficient de Poisson du matériau. perpendiculaire à cette ligne passant par son milieu [7]. Les diagrammes de directivité ci- (a) (b) de 3 MHz pour une source considérée comme infiniment fine de longueur 5 mm (a) et 10 mm (b)

CONFIGURATION EXPÉRIMENTALE

Le système utilisé pour générer les ondes acoustiques est représenté sur la figure ci-

dessous [8]. Un laser Nd:YAG Q-switché émettant des impulsion thermoélastique. schéma synoptique du dispositif expérimental ultrasons-laser laser de génération

Nd :YAG

interféromètre défaut

échantillon

SH -140 tables de déplacement de haute précision lentille cylindrique de focalisation ligne source 4 Mach-Zehnder émettant un faisceau continu de 100 mW à 532 nm et possédant une large

bande passante (de 200 kHz à 45 MHz). Les signaux reçus sont échantillonnés et moyennés

par un oscilloscope numérique avant acquisition. Chaque signal enregistré correspond à un moyennage eff La structure étudiée est positionnée sur un ensemble de platines motorisées comportant trois axes de translation orthogonaux et un axe de rotation. Le deuxième miroir de renvoi du

laser de génération et la lentille cylindrique de focalisation sont également montés sur une

platine de translation motorisée de haute précision.

Comme le montre la figure ci-

est mesuré par interférométrie après transmission à travers le défaut considéré ou après

réflexion par celui-ci.

Nous désignons par

échantillon par rapport à la verticale comme cela est représenté ci-dessous. (a) (b)

configurations expérimentales associées aux mesures effectuées en transmission (a) et en réflexion (b)

Lors des mesures en transmission (figure (a) ci-

platines motorisées de telle sorte à ce que la ligne source du faisceau de génération soit

estimée à +/-

excitée soit transmise par la rainure puis détectée. Par ailleurs, dans la configuration

peut varier de 0° à 65°.

Lors des mesures en réflexion (figure (b) ci-dessus), la procédure de réglage est identique. Il

décrit ci-dessus. Cet angle 2 correspond au cas idéal correspondant à la loi de Descartes. La configuration envisagée permet la mesure pour un angle variant de 0° à 18°. détection génération génération détection 5

RÉSULTATS ET DISCUSSIONS

allant de 0° à

65°. Le spectre des différents signaux obtenus a été calculé en utilisant la transformée de

Fourier, comme le montrent les figures ci-dessous pour les deux cas = 0° et = 60°. signaux obtenus en transmission et spectres associés pour des angles = 0° et = 60° pas montré une corrélation directe entre ces fluctuations e allant de 0° à

18° et le spectre du signal associé a été calculé. Les signaux obtenus pour deux de ces

angles sont présentés ci-dessous. signaux obtenus en réflexion et spectres associés pour des angles = 0° et = 15° = 0° = 60° FFT associée de

Rayleigh

FFT associée de

Rayleigh

= 0° = 15° FFT associée de

Rayleigh

FFT associée de

Rayleigh

6

observons une onde de Rayleigh réfléchie. De même que précédemment, certaines

-ci directement

Pour un même angle

, par rapport aux spectres des ondes détectées en transmission, ceux

correspondant aux ondes détectées en réflexion sont décalés vers les plus hautes

fréquences [9,10]. Le défaut étudié agit comme un filtre passe-bas en transmission et passe-

haut en réflexion. angle = 0°. Les signaux observés en transmission sont présentés ci-dessous.

signaux obtenus en transmission pour une distance génération détection constante de 27 mm et

une distance génération - rainure de 2 mm, 3 mm et 4 mm

Les enregistrements ci-

En maintenant constante la distance entre la rainure et la détection et en augmentant celle entre la rainure et la génération de 4 mm à 6 mm, nous obtenons les signaux suivants : signaux obtenus en transmission pour une distance rainure détection constante de 23 mm et une distance rainure - génération de 4 mm, 5 mm et 6 mm

de Rayleigh est de plus en plus en avance par rapport à celle-ci. Le passage à zéro de cette

onde secondaire est relevé pour chaque position de la génération. La vitesse de cette onde ainsi calculée est estimée par la méthode des moindres carrés à 6 710 m.s-1.

Sur les enregistrements suivants, la distance entre la rainure et la génération reste constante

mais celle entre la rainure et la détection augmente de 23 mm à 25 mm. 7 signaux obtenus en transmission pour une distance rainure génération constante de 4 mm et une distance rainure - détection de 23 mm, 24 mm et 25 mm onde ainsi calculée est estimée par la méthode des moindres carrés à 2 980 m.s-1. Les deux valeurs de vitesse déterminées précédemment sont à comparer avec celles du matériau considéré : vL

6 360 m.s-1, vT

3 130 m.s-1 et vR

2 920 m.s-1. La vitesse de

En négligeant les dimensions du défaut par rapport à la distance de propagation, supposons quotesdbs_dbs42.pdfusesText_42

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