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.