Appareil d'examen et de mesure de distances dans les solides au moyen
d'impulsions élastiques
L'invention se rapporte aux appareils d'examen des solides au moyen d'impulsions élastiques.
Le principe de ces appareils résulte notamment des travaux de Langevin et Florisson sur les sondeurs sous-marins et consiste à recevoir et, éventuellement, à mesurer le temps d'aller et retour d'échos ultra-sonores résultant de la réflexion, sur un obstacle contenu dans le milieu à sonder, d'impulsions ultra-sonores de sondage.
L'examen des pièces solides requiert des impulsions à période de récurrence beaucoup plus brève que celles utilisées pour le sondage sous-marin; de l'ordre de 100 lls, par exemple.
Ces impulsions ont, en général, une durée de l'ordre de une micro-seconde ou une fraction de micro-seconde, la haute fréquence étant de 1 à 5 Mcs.
Le palpeur appliqué contre la pièce à examiner, et qui groupe souvent l'organe émetteur et l'organe récepteur d'ultra-sons, est généralement constitué par un traducteur piézo-électrique, quartz ou céramique.
L'invention se distingue de ces-réalisations connues en ce qu'elle applique le principe connu de la magnétostriction à la production ou la réception d'impulsions élastiques dont les caractéristiques, de l'ordre de celles indiquées ci-dessus, conviennent à l'examen des pièces solides de faibles dimensions.
Elle a donc pour objet un appareil de sondage des solides, comportant au moins un organe émetteur et récepteur d'impulsions élastiques, caractérisé en ce que ledit organe comprend un élément magnétostrictif excité par au moins un enroulement de production d'un champ magnétique sur une portion de sa longueur.
Suivant un mode de réalisation préféré, ledit élément magnétostrictif comporte plusieurs enroulements d'excitation successifs, les excitations desdits enroulements étant déphasées les unes par rapport aux autres au moyen d'un organe de retard, le déphasage entre les excitations des deux enroulements adjacents correspondant au temps de propagation des vibrations élastiques dans l'élément magnétostrictif entre les portions excitées correspondantes.
Suivant un mode de réalisation particulier, destiné au sondage d'une pièce en incidence oblique, l'élément magnétostrictif est un bâton ou un barreau taillé en biseau à l'extrémité appliquée sur la surface du corps à sonder.
Le dessin annexé représente schématiquement et à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 représente un élément magnétostrictif que présente cette forme d'exécution dont la fig. 2 représente le schéma;
la fig. 3 est un graphique servant à en expliquer le fonctionnement.
Dans la fig. 1, 1 désigne un tube creux de ferrite d'une vingtaine de centimètres de long sur sa partie cylindrique et de un centimètre de diamètre extérieur. Ce tube se termine par une portion amincie 2, d'une dizaine de centimètres de long, noyée dans un bloc 3 de résine éthoxyline, par exemple de 1' araldite (marque déposée). Une bobine à carcasse en fer doux en forme de tore creux 4, constitué par un assemblage de deux demi-coquilles, possède un entrefer 5 très étroit (inférieur à un millimètre).
L'enroulement 4 bis de cette bobine est logé dans la cavité intérieure de la carcasse torique, et aboutit à deux bornes 6 et 7 que l'on connecte à un récepteur ou à un émetteur d'impulsions électriques très brèves, à fréquence ultra-acoustique, généralement avec superposition d'un courant de polarisation (et, à la réception, d'un champ continu de polarisation).
L'élément magnétostrictif de la fig. 1 est capable de produire ou de recevoir des impulsions élastiques d'une durée de l'ordre de 0,3 ptS.
On peut montrer, en effet, que si les impulsions élastiques d'excitation de la bobine sont supposées infiniment brèves (impulsions unité), l'impulsion élastique qui se transmet dans la paroi du tube a une durée égale au quotient de la longueur excitée par la vitesse des ondes élastiques dans la ferrite.
Or, cette vitesse est de l'ordre de 3000 mètres par seconde, ce qui, pour une longueur excitée de 1 millimètre, donne des impulsions de 0,3 Kits. I1 suffit pratiquement
que les impulsions électriques d'excitation aient une durée inférieure à 0,2 ftS pour qu'on obtienne sensiblement ce résultat.
Réciproquement, à la réception, les impulsions élastiques reçues font varier le champ magnétique de la bobine, y induisant ainsi des impulsions très brèves de courant.
La partie effilée 3 du tube de ferrite, et le bloc d' araldite qui l'enveloppe, servent à amortir les oscillations parasites qui pourraient prendre naissance dans ledit tube.
Dans la fig. 2, 1 désigne un élément de ferrite du même type que celui de la fig. 1, mais taillé en biseau à son extrémité en contact avec la pièce à sonder 8. Une série de 10 bobines 4a, 4b, etc. (dont deux seulement sont figurées) représentées schématiquement par une simple spire mais qui sont en réalité du même type que dans la fig. 1, sont affectées à l'émission, tandis qu'une seule bobine analogue est affectée à la réception.
Les bobines sont équidistantes entre elles, la distance entre deux entrefers successifs étant de 1 cm.
Un générateur 10 produit une tension en dents de scie qui, dans l'exemple décrit, a une période de récurrence de 100 lls, une amplitude maximum de 300 volts, la durée d'une dent de scie étant de 30 ptS. La sortie de ce générateur attaque, par l'intermédiaire des condensateurs 1 la, 1 lb, etc., et des résistances de protection 12a, 12b, etc., les grilles 13a, 13b, etc., de thyratrons 14a, 14b, etc., dont les cathodes 15a, 15b, etc., sont connectées à la masse, et dont les plaques 16a, 16b, etc., sont respectivement connectées aux enroulements 4a, 4b, etc.
Les enroulements 4a, 4b, etc., sont, d'autre part, connectés à la masse par l'intermédiaire de condensateurs 20a, 20b, etc., et à une source de haute tension commune HT.
Une tension de polarisation continue, variable d'un thyratron à l'autre, est appliquée aux diverses grilles 13a, 13b, etc., par l'intermédiaire des résistances' 17a, 17b, etc., aboutissant aux prises réglables 18a, 18b, etc., branchées sur le potentiomètre 19, soumis à une tension continue négative de - 300 volts.
Les tensions de polarisation ainsi appliquées aux divers thyratrons successifs sont, dans l'exemple décrit: - 10 volts au premier, -40 volts au second, -70 volts au troisième, - 100 volts au quatrième, etc.
L'enroulement 9 est connecté à un récepteur d'impulsions électriques 21, d'un type analogue à ceux habituellement utilisés dans les appareils de sondage des solides par ultrasons et qui ne sera pas décrit dans le détail.
La fig. 3 représente, en (a), la tension de grille Vga du thyratron 14a et, en (b), la tension de grille Vgb du thyratron 14b, en fonction du temps t. Vo est la tension d'amorçage commune des 10 thyratrons 14a, 14b, etc., supposée égale à - 10 volts. Va, Vb désignent respectivement les tensions appliquées aux deux grilles 13a et 13b à l'instant, t = 0, pris comme origine des temps.
Chacune de ces tensions résulte de la superposition de la tension de polarisation et de la tension en dents de scie ; par conséquent, en valeur absolue, il existe un écart AV, égal à la différence entre les tensions de polarisation appliquées aux deux grilles (c'est-à-dire à 30 volts), entre les tensions Va et Vb ;
on voit, d'après la figure, que les instants ta et tb où les deux thyratrons seront déclenchés, sont décalés d'un intervalle
At tel que
AV ¯ 300V
At = 30pus d'où, pour A v = 30v
A t = 3 ps
On excite ainsi les enroulements successifs 4a, 4b, etc., avec des impulsions de durée de l'ordre de 0,2 Clos, les impulsions appliquées au second enroulement étant retardées de 3 ps par rapport à célles qui sont appliquées au premier enroulement, les impulsions appliquées au troisième enroulement étant retardées de 3 as par rapport à celles qui sont appliquées au second enroulement, et ainsi de suite,
les impulsions appliquées au dixième enroulement étant ainsi retardées de 30 fus, c'est-à-dire en phase avec celles qui sont appliquées au premier enroulement,
On remarquera que, Je temps de propagation des impulsions élastiques dans le tube 1 entre deux enroulements successifs étant environ égal à 3 pots, l'impulsion engendrée par un enroulement quelconque se trouvera en phase, à son arrivée dans le champ produit par l'enroulement-suivant, avec l'impulsion engendrée par ledit enroulement, si bien que la puissance totale résultante des impulsions sera considérable.
Ces impulsions électriques sont transformées par l'élément magnétostrictif en impulsions élastiques transmises au solide 8 examiné, suivant la direction de propagation figurée en tirets ; on a figuré le prolongement de cette direction dans la pièce 8 ; en réalité, du fait d'une légère réfraction due à la différence des vitesses de propagation dans la ferrite et dans le solide - sondé, le rayon de propagation dans la pièce 8 s'écarte légèrement du trajet figuré.
Bien entendu, dans le cas de la figure, seuls les échos produits par réflexion de l'onde ultrasonore incidente sur les défauts internes, tels que 22, très voisins de la surface, seront captés par l'élément magnétostrictif et transformés par la bobine 9 en échos électriques transmis au récepteur 21. Mais il est bien évident qu'on peut obtenir l'angle d'incidence que l'on veut en taillant convenablement l'extrémité de l'élément de ferrite en contact avec la pièce sondée (ce qui évite l'emploi des prismes, généralement utilisés avec les traducteurs piézo-électriques quand on désire obtenir une incidence oblique), et que, d'autre part, on peut utiliser un élément récepteur distinct de l'élément émetteur et, éventuellement, incliné différemment.
D'autres formes d'exécution sont possibles.
C'est ainsi que l'on pourrait obtenir de diverses manières le déphasage entre les impulsions d'excitation des divers enroulements: on pourrait, par exemple, commander les grilles des divers tubes émetteurs excitant les enroulements successifs par une ligne à retard appropriée.
Apparatus for examining and measuring distances in solids by means of
elastic pulses
The invention relates to apparatus for examining solids by means of elastic pulses.
The principle of these devices results in particular from the work of Langevin and Florisson on underwater sounders and consists of receiving and, possibly, measuring the outward and return time of ultra-sound echoes resulting from reflection, on an obstacle. contained in the medium to be probed, ultrasonic probing pulses.
Examination of solid parts requires pulses with a much shorter repetition period than those used for underwater sounding; of the order of 100 lls, for example.
These pulses generally have a duration of the order of a microsecond or a fraction of a microsecond, the high frequency being from 1 to 5 Mcs.
The feeler applied against the part to be examined, and which often groups the emitting member and the ultrasound receiving member, generally consists of a piezoelectric, quartz or ceramic translator.
The invention differs from these known embodiments in that it applies the known principle of magnetostriction to the production or reception of elastic pulses whose characteristics, of the order of those indicated above, are suitable for the production or reception of elastic pulses. 'examination of solid parts of small dimensions.
It therefore relates to an apparatus for probing solids, comprising at least one member emitting and receiving elastic pulses, characterized in that said member comprises a magnetostrictive element excited by at least one winding producing a magnetic field on a portion of its length.
According to a preferred embodiment, said magnetostrictive element comprises several successive excitation windings, the excitations of said windings being phase-shifted with respect to each other by means of a delay member, the phase shift between the excitations of the two adjacent windings corresponding to the propagation time of the elastic vibrations in the magnetostrictive element between the corresponding excited portions.
According to a particular embodiment, intended for probing a part at oblique incidence, the magnetostrictive element is a stick or a bar bevelled at the end applied to the surface of the body to be probed.
The appended drawing represents schematically and by way of non-limiting example, an embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 represents a magnetostrictive element presented by this embodiment, of which FIG. 2 represents the diagram;
fig. 3 is a graph used to explain its operation.
In fig. 1, 1 designates a hollow ferrite tube about twenty centimeters long on its cylindrical part and one centimeter in external diameter. This tube ends with a thinned portion 2, about ten centimeters long, embedded in a block 3 of ethoxylin resin, for example 1 araldite (registered trademark). A coil with a soft iron carcass in the form of a hollow torus 4, formed by an assembly of two half-shells, has a very narrow air gap 5 (less than one millimeter).
The winding 4a of this coil is housed in the internal cavity of the toroidal casing, and leads to two terminals 6 and 7 which are connected to a receiver or to a transmitter of very short electrical pulses, at ultra-frequency. acoustic, generally with superposition of a polarization current (and, on reception, of a direct polarization field).
The magnetostrictive element of FIG. 1 is capable of producing or receiving elastic pulses with a duration of the order of 0.3 ptS.
It can be shown, in fact, that if the elastic impulses of excitation of the coil are supposed to be infinitely short (unit impulses), the elastic impulse which is transmitted in the wall of the tube has a duration equal to the quotient of the length excited by the speed of elastic waves in the ferrite.
However, this speed is of the order of 3000 meters per second, which, for an excited length of 1 millimeter, gives pulses of 0.3 Kits. It is practically enough
that the electrical excitation pulses have a duration of less than 0.2 ftS so that this result is substantially obtained.
Conversely, on reception, the elastic pulses received vary the magnetic field of the coil, thus inducing very short pulses of current therein.
The tapered part 3 of the ferrite tube, and the block of araldite which surrounds it, serve to damp the parasitic oscillations which could arise in said tube.
In fig. 2, 1 designates a ferrite element of the same type as that of FIG. 1, but beveled at its end in contact with the part to be probed 8. A series of 10 coils 4a, 4b, etc. (of which only two are shown) represented schematically by a single coil but which are in reality of the same type as in FIG. 1, are assigned to transmission, while a single analog coil is assigned to reception.
The coils are equidistant from each other, the distance between two successive air gaps being 1 cm.
A generator 10 produces a sawtooth voltage which, in the example described, has a repetition period of 100 lls, a maximum amplitude of 300 volts, the duration of a sawtooth being 30 pts. The output of this generator drives, via capacitors 11a, 1 lb, etc., and protective resistors 12a, 12b, etc., the grids 13a, 13b, etc., of thyratrons 14a, 14b, etc. ., whose cathodes 15a, 15b, etc., are connected to ground, and whose plates 16a, 16b, etc., are respectively connected to the windings 4a, 4b, etc.
The windings 4a, 4b, etc., are, on the other hand, connected to ground by means of capacitors 20a, 20b, etc., and to a common high voltage source HT.
A DC bias voltage, varying from one thyratron to another, is applied to the various grids 13a, 13b, etc., through resistors' 17a, 17b, etc., terminating at the adjustable taps 18a, 18b, etc., connected to potentiometer 19, subjected to a negative direct voltage of - 300 volts.
The bias voltages thus applied to the various successive thyratrons are, in the example described: - 10 volts on the first, -40 volts on the second, -70 volts on the third, - 100 volts on the fourth, etc.
Winding 9 is connected to an electrical pulse receiver 21, of a type similar to those usually used in apparatus for probing solids by ultrasound and which will not be described in detail.
Fig. 3 represents, in (a), the gate voltage Vga of thyratron 14a and, in (b), the gate voltage Vgb of thyratron 14b, as a function of time t. Vo is the common starting voltage of the 10 thyratrons 14a, 14b, etc., assumed to be -10 volts. Va, Vb respectively denote the voltages applied to the two gates 13a and 13b at the instant, t = 0, taken as the origin of the times.
Each of these voltages results from the superposition of the bias voltage and the sawtooth voltage; consequently, in absolute value, there is a difference AV, equal to the difference between the bias voltages applied to the two gates (that is to say at 30 volts), between the voltages Va and Vb;
we see, from the figure, that the instants ta and tb where the two thyratrons will be triggered, are shifted by an interval
At such that
AV ¯ 300V
At = 30pus hence, for A v = 30v
At t = 3 ps
The successive windings 4a, 4b, etc., are thus excited with pulses of duration of the order of 0.2 Clos, the pulses applied to the second winding being delayed by 3 ps with respect to those which are applied to the first winding, the pulses applied to the third winding being delayed by 3 as compared to those applied to the second winding, and so on,
the pulses applied to the tenth winding being thus delayed by 30 fuses, that is to say in phase with those which are applied to the first winding,
It will be noted that, the propagation time of the elastic pulses in the tube 1 between two successive windings being approximately equal to 3 pots, the pulse generated by any winding will be in phase, when it arrives in the field produced by the winding following, with the pulse generated by said winding, so that the total power resulting from the pulses will be considerable.
These electrical pulses are transformed by the magnetostrictive element into elastic pulses transmitted to the solid 8 examined, following the direction of propagation shown in dashes; the continuation of this direction has been shown in exhibit 8; in reality, due to a slight refraction due to the difference in the propagation speeds in the ferrite and in the solid - probed, the propagation radius in part 8 deviates slightly from the path shown.
Of course, in the case of the figure, only the echoes produced by reflection of the incident ultrasonic wave on the internal defects, such as 22, very close to the surface, will be picked up by the magnetostrictive element and transformed by the coil 9 in electrical echoes transmitted to receiver 21. But it is quite obvious that one can obtain the angle of incidence that one wants by suitably cutting the end of the ferrite element in contact with the part being probed (which avoids the use of prisms, generally used with piezoelectric translators when one wishes to obtain an oblique incidence), and that, on the other hand, one can use a receiving element distinct from the emitting element and, possibly, inclined differently .
Other embodiments are possible.
It is thus that one could obtain in various ways the phase shift between the excitation pulses of the various windings: one could, for example, control the gates of the various emitter tubes exciting the successive windings by an appropriate delay line.