Caractérisation de modules d’élasticité de matériaux à l’aide de faisceaux ultrasonores bornés

Parmi les méthodes d’évaluation non destructives des propriétés physiques de matériaux et structures, les méthodes ultrasonores sont utilisées pour estimer les modules d’élasticité ou de viscoélasticité. L’objectif de cette étude est la caractérisation des propriétés mécaniques de matériaux conditionnés sous la forme de plaques minces (quelques centaines de micromètres à quelques millimètres), isotropes ou anisotropes. Les ondes ultrasonores sollicitent mécaniquement les milieux solides et accumulent, au cours de leur propagation, de l’information sur leurs propriétés. Associées à des modèles mathématiques adaptés, la mesure de ces ondes conduit à résoudre des problèmes inverses qui servent à évaluer les valeurs des modules d’élasticité des matériaux.
Une technique bien établie consiste à mesurer les temps de propagation d’ondes de compression et d’ondes de cisaillement à travers une plaque selon différentes directions, puis à déduire les vitesses de ces ondes, qui sont reliées à l’élasticité du matériau. Ce procédé requiert deux conditions : l’échantillon doit être suffisamment épais vis-à-vis des longueurs d’onde pour que les échos multiples entre ses deux surfaces soient séparés temporellement et l’échantillon ne peut être constitué que d’un seul homogène vis-à-vis des longueurs d’onde. La fréquence de travail est généralement choisie pour satisfaire au mieux ces deux conditions, mais la nature du matériau et l’épaisseur de l’échantillon ne permettent pas toujours de trouver un compromis satisfaisant.
Pour les plaques minces qui ne peuvent satisfaire les deux critères précédents, une autre méthode permet de caractériser les propriétés mécaniques en mesurant les champ transmis pour différents angles d’incidence plutôt que les temps de propagation. L’estimation des modules de viscoélasticité est alors faite en résolvant un problème inverse, basé cette fois sur le calcul des coefficients de transmission de la plaque, pour ces mêmes angles. Ce calcul reposant sur l’hypothèse d’ondes incidentes planes, la mesure nécessite l’utilisation de transducteurs de larges dimensions. Malgré cette précaution expérimentale, cette hypothèse n’est pas vérifiée pour tous les produits fréquence-épaisseur, ce qui contraint également les valeurs de l’épaisseur de plaques pouvant être caractérisées.(…)

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