CH615276A5

CH615276A5 -

Info

Publication number: CH615276A5
Application number: CH1630076A
Authority: CH
Inventors: Jean Perdijon
Original assignee: Commissariat Energie Atomique
Priority date: 1976-01-06
Filing date: 1976-12-24
Publication date: 1980-01-15
Also published as: FR2337589A1; DK587576A; BE849669A; US4151752A; GB1544791A; FR2337589B1; CA1101536A; ES454819A1; NL7614316A; SE7700099L; DE2659595A1; JPS52109955A

Description

La présente invention a pour objet un dispositif d'excitation d'ondes, dans un milieu limité par un dioptre plan P.

On sait qu'il est souvent nécessaire d'exciter des ondes, dans un milieu limité par une face plane telle qu'une plaque, en phase dans des directions données, notamment pour observer, quand il s'agit d'ondes ultrasonores, les défauts éventuels de cette plaque. Les défauts d'une plaque métallique sont d'autant mieux observés que les ondes destinées à être réfléchies par ces défauts se propagent perpendiculairement à ces défauts dans la plaque. Or, la direction de ces défauts n'est en général pas connue à l'avance. Il est donc nécessaire d'envoyer dans le milieu constituant la plaque des ondes se propageant sous des angles variés afin d'être certain de bien détecter ces défauts.

Cela est notamment le cas, quand on veut observer des défauts, en engendrant des ondes de Lamb dans des plaques planes pour le contrôle de la qualité des plaques ou, plus particulièrement, des zones soudées.

Sachant ainsi que, lors du contrôle des plaques par ultrasons, il est nécessaire de balayer la surface par des ondes ultrasonores se propageant dans au moins deux, sinon quatre directions, afin de détecter les défauts éventuels à peu près quelle que soit leur orientation, les dispositifs de l'art antérieur comportent généralement des chariots comprenant quatre traducteurs dont les plans d'incidence sont perpendiculaires. Ce type de dispositif impose une électronique assez lourde pour la détection des signaux reçus après réflexion sur les défauts.

Le but de la présente invention est de résoudre le problème suivant: comment associer à un traducteur unique une lentille de façon que les ondes excitées dans un milieu aient des directions variées, ou mieux, quand cela est possible, que les directions de propagation des ondes dans ce milieu balayent un angle de 2 k radian. Cela fait que, dans le cas de l'application à la détection de défauts, une onde au moins frappe le défaut perpendiculairement à celui-ci.

La présente invention permet de réaliser un dispositif résolvant le problème posé, de construction facile et de coût limité.

L'invention a pour objet un dispositif d'excitation d'ondes dans un milieu limité par un dioptre plan P, comprenant une source S de radiations émettant un faisceau F de rayons parallèles entre eux et perpendiculaires au dioptre plan P, caractérisé en ce qu'il comprend une lentille L dont une première surface plane 2 est en regard de la source émettrice S de radiations, la seconde surface 4 de la lentille en regard du dioptre plan P étant telle que les rayons R2, R'2 du faisceau F, réfractés par ladite seconde surface 4, arrivent sur le dioptre plan P sous un angle d'incidence i constant, l'onde incidente sur ledit dioptre P correspondant audit faisceau réfracté par la seconde surface 4 de la lentille, et l'onde R3, R'3, réfractée par ledit dioptre, correspondant à cette onde incidente, étant en phase le long d'une trajectoire (Co, 10,12,14, c) donnée sur la surface du dioptre plan P.

Dans un mode de réalisation de l'invention, on désire exciter des ondes en phase selon des segments de droite concourant en un point. Pour ce faire, on peut utiliser un traducteur plan et, selon l'invention, une lentille dont la seconde surface est une surface conique de demi-angle au sommet ~ — a ou ? + a selon que l'on désire exciter des ondes divergentes ou convergentes, a étant tel que tangente a= s~~- en fait, tg a= -- "i- si l'indice de réfraction

0 cosi—n cosi —n ^

relatif du milieu constituant la lentille par rapport a un milieu disposé entre le dioptre plan et la seconde surface de cette même lentille est inférieur à 1 et tg ot= si n est supérieur à 1.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la lentille destinée à la mise en phase d'ondes incidentes et réfractées permet cette même mise en phase selon une courbe fermée tracée sur la surface du dioptre plan P. Cette surface peut être définie par sa normale m en tout point de cette surface qui:

- est contenue dans un plan perpendiculaire au dioptre plan P et tangent à ladite courbe fermée,

- fait un angle avec l'axe Oz perpendiculaire au plan P, l'angle a étant défini par la relation tg a= cossin-iw.

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Pour exciter des ondes de forte amplitude dans le milieu limité par le dioptre plan P, dans le cas de courbes fermées, il est avantageux d'ajuster la fréquence de vibrations de ladite onde ultrasonore de façon que la longueur d'onde associée aux ondes réfractées dans le milieu concerné divisée par le sinus de l'angle r de réfraction soit un sous-multiple de la longueur de ladite courbe fermée. Le périmètre de la courbe fermée doit en effet être un multiple de la distance entre deux surfaces équiphases consécutives mesurées, non suivant un rayon réfracté, mais le long de la courbe fermée. Dans le cas d'ondes de Lamb, r=90°, sin r = 1 et le périmètre de la courbe fermée est un multiple de la longueur d'onde X. Ainsi, après un parcours le long de cette courbe, les ondes s'ajoutent en phase par effet de résonance cyclique.

Plusieurs formes d'exécutions particulières seront décrites à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés sur lesquels:

- la fig. 1 montre un schéma explicatif de la structure géométrique de la lentille et des caractéristiques du dispositif selon l'invention,

- la fig. 2 montre un schéma explicatif de la configuration de la lentille L,

- la fig. 3 montre le schéma d'une lentille excitant des ondes selon des segments de droite concourants,

- la fig. 4 montre une lentille plan-conique excitant des ondes convergentes dans le milieu limité par le dioptre plan P,

- la fig. 5 montre une lentille dont la seconde surface est une surface en vis permettant d'exciter des ondes mises en phase selon un cercle C sur le dioptre plan P,

- la fig. 6 montre un schéma explicatif de la condition de résonance permettant d'atteindre de fortes amplitudes pour les ondes induites dans le matériau limité par le dioptre plan P.

Sur la fig. 1, on a représenté un dispositif selon l'invention permettant la mise en phase des ondes incidentes et réfractées par le dioptre plan P le long d'une courbe quelconque Co éventuellement polygonale. Le dispositif comprend une source S émettant un faisceau F de rayons parallèles tels que Ri etR'i. La lentille L a une première face plane 2 en regard de la source d'ondes S et une seconde surface 4 transformant le faisceau F, comprenant, entre autres, les rayons Ri et R'lt en un faisceau de rayons réfractés par cette seconde surface 4, comprenant les rayons tels que R2 et R'2. Ces rayons attaquent le milieu 6 limité par le dioptre plan P en A et A' excitant dans ce milieu 6 des ondes, les rayons réfractés par le dioptre plan P correspondant à l'excitation des ondes dans ce milieu 6 étant symbolisés par les rayons R3 et R'3. La surface 4 de la lentille L est telle que l'angle d'incidence i des rayons R2 et R'2 sur le dioptre plan P est constant. De plus, les ondes incidentes et réfractées par le dioptre P sont en phase. La seconde surface 4 de la lentille L est définie par l'orientation de la normale m au point M, point M correspondant à l'incidence du rayon R2 au point A de la courbe C0 tracée sur le dioptre plan P, et par une seconde condition d'égalité de longueur des chemins optiques précisée dans la suite.

A chaque point A de la courbe C0, on associe le plan Jt passant par A et contenant la tangente T à la courbe C0 contenue dans le dioptre plan P. Ce plan n contient le rayon R2, la normale en A au plan P, parallèle à Oz, ainsi que le rayon Rt passant par le point M. D'après la première loi de Descartes, la normale m à la surface 4 de la lentille L est également contenue dans ce plan n puisque les rayons incident Ri et réfracté R2 sont contenus dans ce plan. La normale m au point M de la surface 4 fait un angle a avec la direction verticale, soit l'axe Oz. L'indice n est l'indice relatif entre le milieu constituant la lentille L et le milieu de couplage situé entre le dioptre plan P et la surface 4; la seconde loi de Descartes permet d'écrire, si n < 1 :

n sin a=sin ß = sin (a—i),

P étant l'angle de réfraction dans le milieu de couplage, et si n > 1 : n sin cc=sin ß=sin (a+i).

La résolution de cette équation en a fait que l'angle définissant la normale m obtenue par résolution de l'équation précédente est:

tga= -------T

0 jcosi— n|

Le mode opératoire permettant de construire géométriquement la lentille 4 est le suivant. On fixe la valeur de l'angle i (par exemple pour exciter des ondes de Lamb dans le dioptre plan P), ce qui détermine l'angle a par la relation précédente, et point par point la direction de la normale m à la surface 4.

Il est facile de montrer que l'onde réfractée et l'onde incidente le long de la courbe Co sont en phase. En effet, dans le cas d'une courbe Co quelconque, on prendra le segment AA' comme trajet élémentaire, c'est-à-dire la partie de courbe confondue avec la direction de la tangente T au point A à la courbe Co- La différence entre les chemins optiques pour les rayons R2 et R'2 dans le milieu de couplage est égal à A'Ai, et pour les rayons R3 et R'3 dans le milieu limité par le dioptre plan P, A A' 1. Si r est l'angle de réfraction dans le milieu limité par le dioptre plan P, la seconde loi de Descartes, sin i=n' sin r, fait que les chemins optiques n' AA'i = n'AA' sin r et A'Ai = AA' sin i sont égaux et qu'ainsi les ondes sont en phase sur tout le trajet AA' le long de Co, n' est l'indice relatif du milieu limité par le dioptre plan P et du milieu de couplage.

' Sur la fig. 2, on a représenté une coupe de la lentille L selon un plan normal au dioptre plan P et passant par le segment AA'. Les normales en M et M' étant telles que définies précédemment, la position du point M' est telle que ni (MN) + n2(MA) + n3(AB)= ni(M'N')+n2(M'A'). Cette égalité définissant la position des points de la surface de la lentille L et l'orientation des normales à la surface de cette lentille permet, connaissant la courbe C et les indices m, n2 et n3, de construire point par point la surface 4 de la lentille L.

Sur la fig. 3, on a représenté un mode particulier de réalisation de l'invention, permettant d'exciter dans le milieu limité par le dioptre plan P des ondes mises en phase le long de segments concourants en un point O, tels que les segments selon les droites 10,12,14. Le dispositif a une symétrie de révolution par rapport à l'axe Oz, ce qui permet de n'étudier que ce qui se passe dans un plan k passant par cet axe. La source de radiations S émet un faisceau F de rayons Ri et R'i réfractés par la seconde surface 4 de la lentille L ayant la forme d'un tronc de cône d'angle au sommet f—a. Les rayons R2 et R'2 réfractés par cette seconde surface 4 attaquent la surface constituée par le dioptre plan P selon un angle d'incidence i constant, ce qui entraîne un angle de réfraction r également constant. Par rapport à la fig. 1, la courbe C0 dans ce mode de réalisation est une droite passant pa O. On peut vérifier facilement que les ondes incidentes et réfractées sont en phase selon les droites telles que 10,12,14, tracées sur le plan P. Dans ce mode de réalisation, la normale m à la seconde surface 4 de la lentille L fait également un angle oc avec l'axe Oz, cet angle oc étant également défini par la relation tg a= L'ensemble du dispositif étant,

comme on l'a déjà indiqué, a symétrie de révolution autour de l'axe Oz, on voit que les ondes excitées dans le milieu limité par le dioptre P sont en phase le long d'une infinité de droites (en pratique segments de droite) concourant en un point 0.

Dans ce mode de réalisation, les ondes excitées dans le milieu limité par le dioptre plan P sont des ondes qui divergent à partir du point 0.

Sur la fig. 4, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'exciter des ondes se propageant dans le milieu limité par le dioptre P selon des ondes convergentes. Les éléments désignés par les mêmes références sur la fig. 4 que sur les fig. 1 et 2 désignent des éléments identiques. Dans ce cas, la lentille L est constituée par une surface plane 2 et une surface conique 4, surface conique d'angle au sommet *-+oc. Les rayons R2 et R'2 contenus dans le plan Jt passant par l'axe Oz arrivent selon un angle d'incidence constant i sur la droite 10 et sont en phase avec des ondes réfractées correspondant aux rayons R3 et R'3 selon cette même droite 10.

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Sur la fig. 5, on a représenté un mode de réalisation du dispositif selon l'invention permettant d'exciter des ondes en phase sous l'angle d'incidence constant sur un cercle C de rayon R tracé sur un dioptre plan P. La surface 4 de la lentille L a pour équation en coordonnée semi-polaire: s p2=(z cotg a+R0)2 + R2

où les axes Oxyz sont tels que représentés sur la fig. 4. La structure L' correspond à une vue de dessous de la lentille L de la fig. 5.

Les rayons tels que R! émis par la source S donnent naissance io à des rayons tels que R2 qui frappent le dioptre plan P en des points d'incidence répartis sur le cercle C. Ces rayons tels que R2 arrivent sous le même angle incident i et les ondes incidentes sur et réfractées par le dioptre plan P sont en phase le long du cercle C, cas particulier ' de la courbe C0 de la fig. 1. Dans cet exemple de réalisation, la len- 15 tille L est limitée par deux cylindres coaxiaux 30 et 32 d'axe Oz. Par suite de l'ombre, la surface 4 est d'autre part limitée à un seul pas (0O<0 <0o+27t).

Sur la fig. 6, on a représenté la structure des ondes incidentes et réfractées par le dioptre plan P dans le cas où le milieu limité par 20 ce dioptre plan P est une plaque plane, l'angle d'incidence i étant choisi de façon connue pour exciter des ondes de Lamb dans le matériau constituant cette plaque. La structure montrée sur la fig. 6 correspond à une lentille L telle que représentée sur la fig. 5. Les ondes de Lamb excitées au point A se propagent suivant la tan- 25 gente T au cercle C. De même les ondes excitées en A' se déplacent suivant la tangente T'et les ondes excitées en A" se déplacent suivant la tangente T".

Les ondes de Lamb issues de chacun des points AA'A" se détruisent rapidement par interférence dès qu'on s'éloigne vers 30 l'extérieur du cercle C. En revanche, leur amplitude s'ajoute le long de C, car il y a conservation de phase entre onde incidente et onde réfractée le long de cette trajectoire, dans ce cas un cercle. Comme pour tous les phénomènes vibratoires, il suffit que cette mise en phase soit réalisée à un quart de longueur d'onde près pour que la 35 mise en phase sur le trajet soit efficace, la mise en phase étant alors réalisée le long d'une couronne extérieure au cercle C, correspondant à ce déphasage.

Comme on l'a déjà indiqué, si la longueur d'onde X (dans le cas d'ondes de Lamb, il n'est pas nécessaire de diviser X par sin r car 40 r=90°) des ondes excitées dans le milieu limité par le dioptre plan P est un sous-multiple du périmètre 2rcR du cercle C, les ondes se propageant le long de ce périmètre arrivent en A avec la même phase que les ondes excitées par une nouvelle vibration se propageant selon le rayon R2 et avec addition des amplitudes, ce qui permet 45 une excitation résonnante le long de ce cercle ou de courbes fermées. Cela conduit à des effets intenses favorables à la réception d'échos produits par des défauts de faible dimension.

La description de la fig. 6 s'applique aux ondes de Lamb, mais peut être généralisée à n'importe quel autre type d'ondes pour les- 50 quelles l'angle r est différent de 90°.

Le dispositif décrit peut être également utilisé comme résonateur pour les ondes induites dans le dioptre plan.

Le dispositif selon l'invention s'applique tout particulièrement à la détection des défauts dans des plaques en excitant dans ces plaques, limitées par un dioptre plan P, des ondes de Lamb. Dans ce cas, la source de radiation est un traducteur ultrasonore fonctionnant en émetteur-récepteur pour, après un temps d'émission donné, recueillir les échos réfléchis par les défauts et circulant selon des trajets opposés aux trajets d'excitation. Il va de soi que pour explorer l'état d'une plaque, on déplace l'ensemble traducteur-lentille selon deux axes de coordonnées xy parallèles au dioptre plan P. Le dispositif peut s'appliquer également à l'excitation d'onde mécaniques autres que l'onde de Lamb.

Des calculs approchés permettent à l'homme de l'art d'appliquer cette technique à d'autres surfaces limitant un milieu où l'on désire induire des ondes en phase, telles que des cylindres, des sphères, des tores, etc.

L'utilisation du dispositif selon l'invention, comportant principalement la lentille L, peut être étendue aux ondes électromagnétiques et corpusculaires. Il serait particulièrement utile dans le cas où la source S de radiations est un faisceau laser, auquel cas on peut utiliser la structure de la lentille L pour engendrer un pinceau lumineux de rayons réfractés répondant aux caractéristiques énoncées précédemment.

Il serait également possible dans le cadre de la présente invention de tailler la surface d'un émetteur selon une surface orthogonale aux rayons R2 pour obtenir le même résultat. Dans ce cas, la normale à la surface m fait un angle i avec Oz (il suffit de prendre n = 1 et a=i dans les équations précédentes). Toutefois, cette réalisation semble dans le présent plus onéreuse, car de réalisation plus délicate.

Exemple de réalisation : soit à examiner une plaque P en acier inoxydable d'épaisseur 1 mm avec un traducteur ultrasonore de fréquence 4 MHz. L'excitation d'ondes de Lamb de mode Ai conduit à un angle d'incidence i= 16,9° et l'application de la relation tg a~lc0g'"^n| donne, pour une lentille en Araldite et un couplage dans l'eau (n=0,57), une valeur de l'angle a=36,9°.

Ces ondes de Lamb se propagent dans l'acier à une vitesse de 5150 m/s, soit une longueur d'onde X= 1,288 mm. Si on prend 2rcR = 10 X afin d'avoir une excitation résonnante, on obtient R=2,05 mm (l'utilisation d'un émetteur à fréquence variable permet d'ajuster la fréquence pour obtenir la résonance désirée).

Sur la fig. 4, on a représenté la lentille L correspondant à ces valeurs de a et de R.

Une autre définition de cette surface limitant la face inférieure de la lentille L est de dire que c'est une surface engendrée par un segment dont le prolongement reste tangent à une hélice circulaire de rayon R en y décrivant un pas p=2itR tga=9,67 mm.

R

5 feuilles dessins

Claims

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1. Dispositif d'excitation d'ondes dans un milieu limité par un dioptre plan (P), comprenant une source (S) de radiations émettant un faisceau (F) de rayons parallèles entre eux et perpendiculaires au dioptre plan (P), caractérisé en ce qu'il comprend une lentille (L) dont une première surface plane (2) est en regard de la source émettrice (S) de radiations, la seconde surface (4) de la lentille en regard du dioptre plan (P) étant telle que les rayons (R2, R'2)

du faisceau (F), réfractés par ladite seconde surface (4), arrivent sur le dioptre plan (P) sous un angle d'incidence (i) constant, l'onde incidente sur ledit dioptre (P) correspondant audit faisceau réfracté par la seconde surface (4) de la lentille, et l'onde (R3, R'3) réfractée par ledit dioptre correspondant à cette onde incidente, étant en phase le long d'une trajectoire (Co, 10,12,14, c) donnée sur la surface du dioptre plan (P).

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite trajectoire est formée de segments de droite sur le dioptre plan (P), caractérisé en ce que la seconde surface (4)de ladite lentille (L) est une surface conique d'axe perpendiculaire au dioptre plan (P) de demi-angle au sommet f—a, a étant tel que tg a=^T~-n étant l'indice de réfraction relatif du milieu constituant la lentille L par rapport au milieu situé entre la seconde surface (4) de la lentille et le dioptre plan (P), et i étant l'angle d'incidence des rayons sur le dioptre plan.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite trajectoire est formée de segments de droite sur le dioptre plan (P), caractérisé en ce que la seconde surface (4) de ladite lentille (L) est une surface conique de demi-angle au sommet î+a, oc étant tel que tg ct=cos'"-n'n étant l'indice de réfraction relatif du milieu constituant la lentille par rapport au milieu situé entre la seconde surface (4) de la lentille (L) et le dioptre plan (P), et i étant l'angle d'incidence des rayons sur le dioptre plan.

4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite trajectoire est une courbe fermée tracée sur la surface du dioptre plan (P), caractérisé en ce que la seconde surface (4) de ladite lentille (L) est telle que la normale (m) en tous les points de cette surface :

- est contenue dans un plan k perpendiculaire au dioptre plan (P) et tangent à ladite courbe fermée,

- fait un angle a avec un axe Oz perpendiculaire audit dioptre plan (P), l'angle a étant défini par:

tg«= si" '

© cos i — n où n est l'indice de réfraction relatif du milieu constituant la lentille (L) et du milieu situé entre la seconde surface (4) de la lentille (L) et le dioptre plan (P), et i étant l'angle d'incidence des rayons sur le dioptre plan.

5. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel ladite trajectoire est un cercle (C) de rayon R tracé sur le dioptre plan (P), caractérisé en ce que ladite seconde surface (4) de la lentille (L) est une surface réglée d'équation en coordonnée semi-polaire p2=

(z cotg a+ R0)2+R2, où p est le rayon et 0 l'angle polaire, z étant l'ordonnée d'un point de la courbe par rapport à l'axe Oz.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la fréquence de vibration des ondes émises par la source de radiations (S) émettant le faisceau (F) de rayons

(Ri, R'i) a une valeur telle que la longueur d'onde associée aux ondes réfractées dans le milieu (6) limité par le dioptre plan (P) divisée par le sinus de l'angle (r) de réfraction dans ledit milieu (6), est un sous-multiple de la longueur de ladite courbe fermée (Co, C), tracée sur le dioptre plan (P).

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (S) est une source d'ondes ultrasonores.