NON DESTRUCTIVE EVALUATION OF COMPOSITE MATERIALS USING ULTRASONIC SPECTROSCOPY

Les matériaux composites carbone-époxy, très utilisés dans l'industrie aéronautique, sont très délicats à contrôler. Les méthodes classiques de contrôle sont en particulier insuffisantes pour la détection des défauts répartis (porosités, délaminations) qui altèrent gravement les propriétés mécaniques des structures. Les ultrasons permettent de détecter certaines délaminations (échographie mode A), mais l'interprétation du signal temporel reste assez ardue dans le cas des porosités et compte-tenu de l'hétérogénéité des matériaux composites. L'intérêt de l'analyse spectrale est démontré dans la présente communication : elle met en évidence en onde longitudinale des fréquences privilégiées d'absorption, étroitement liées à la structure interne du matériau composité étudié. Plusieurs exemples d'utilisation du spectre ultrasonore réfléchi ou transmis sont présentés pour différents échantillons sains ou poreux.The non destructive evaluation of the carbon epoxy composite materials (often used in aeronautics) is a difficult matter. The classical control methods prove unsatisfactory for the detection of distributed defects (like delaminations and porosities), which affect severely the mechanical properties of composite parts. Ultrasonic echography (A scan mode) allows for the detection of some kinds of delaminations, but the interpretation of the echographic signal remains difficult in the case of porosities and owing to the heterogeneous nature of composites. In the present communication, the usefulness of a spectral analysis (ultrasonic spectroscopy) is demonstrated : the occurrence of selective absorption frequencies, closely bound to the material internal structure, is evidenced. Several examples of spectral analysis of the transmitted or reflected ultrasound are presented for reasonably defect-free and porous materials

CAPTEUR ULTRASONORE HAUTE-FRÉQUENCE À ABSORBEUR ACTIF

L'utilisation des sondes ultrasonores haute fréquence (100MHz et plus) dans le domaine biomédical, permet la caractérisation et la visualisation de structures de plus en plus fines. Les capteurs haute fréquence habituellement utilisés sont constitués d'un transducteur piézoélectrique de faible épaisseur collé sur une ligne à retard. Compte tenu de la gamme de fréquence utilisée, en plus des problèmes d'atténuation et d'adaptation, les multiples réflexions dans la ligne à retard introduisent un bruit ultrasonore qui entraîne une diminution de la sensibilité du capteur. Pour pallier à ces inconvénients, nous avons réalisé une sonde ultrasonore (100MHz) sans ligne à retard émettant directement dans le milieu biologique. Pour augmenter la bande passante, donc la résolution axiale du capteur, nous avons réalisé un absorbeur actif constitué d'un autre élément piézoélectrique. Dans notre article, nous présentons une comparaison entre résultats théoriques et expérimentaux obtenus avec ce nouveau capteur.The characterization and visualization of smaller and smaller structures become nowadays feasible in the biomedical ultrasonics area, owing to the design and construction of very high frequency ultrasonic probes (above 100MHz). These probes consist in a very thin piezoelectric transducer cemented on to an a delay line. The classical problems of ultrasonic attenuation and electrical and mechanical impedance matching are encountered. Moreover, in the used frequency range, multiple reflections on the various boundaries induce an acoustic noise which reduces the probe sensitivity. To overcome this, an ultrasonic probe radiating directly into biological medium, without buffer delay line has been built. An active damping using a second piezoelectric transducer has been designed in order to increase the available frequency bandwidth and then the axial resolution of the probe. In this paper, the experimental and theoritical results for this new kind probe are computed

Détection de particules biologiques en suspension par ultrasons haute fréquence

Le comptage de particules constitue un domaine métrologique particulièrement important dans le secteur biomédical. L'utilisation des ondes acoustiques présente divers intérêts par rapport aux méthodes classiques tels que leur innocuité vis-à-vis des milieux biologiques, la possibilité d'examen de suspensions optiquement opaques,... Dans ce travail, nous nous proposons d'évaluer une méthode de détection de particules par absorption d'ultrasons haute fréquence (autour de 100 MHz). Les résultats expérimentaux obtenus sur une culture de protozoaires sont présentés et comparés à ceux fournis par la simulation du signal échographique provenant d'une structure multi-couches modélisant une cellule biologique. Le modèle théorique est basé sur le formalisme des matrices de transfert et prend en compte l'atténuation dans les différentes couches constituant la structure.In biomedical laboratories, an important part of work consists certainly in counting biological particles. The use of ultrasonic waves are particularly of interest because of their harmless towards biological tissues and their ability to control opacous suspension. In this paper, we will show that high frequency ultrasounds (about 100 MHz) are convenient for particles detection. The experimental results obtained with a culture of protozoa are compared to those given by simulation of echograms using matrix transfert formalism where the cell is asumed to be a multilayer structure in which the attenuation is taken into account in the different layers

ÉVALUATION DE L'ADHÉRENCE PAR ULTRASONS HAUTE-FRÉQUENCE

Numerous studies have already been performed for estimating the adhesion between two materials using ultrasound. The results obtained, mainly with Lamb waves, don't lead to a quantitative evaluation of adhesion. We investigated the use of high frequency, 50 to 500 MHz, bulk (longitudinal and shear) ultrasonic waves for evaluating the adhesion from the reflection or transmission coefficient at an interface.De nombreux essais ont été réalisés afin de caractériser l'adhésion entre deux matériaux par ondes ultrasonores. Ces essais, souvent réalisés en ondes guidées ou en ondes longitudinales basses fréquences sous incidence normale ([MATH]), permettent difficilement d'évaluer quantitativement l'adhésion. Nous nous proposons de présenter les résultats de mesures du coefficient de réflexion sur divers échantillons représentatifs de mauvais collages. Ces essais ont été effectués en ondes longitudinales et transversales pour des fréquences comprises entre 50 et 500 MHz

CARACTÉRISATION DE SOLUTIONS AQUEUSES DE GLUCIDES PAR ULTRASONS HAUTES FRÉQUENCES

Le but de notre travail est de déterminer l'influence de la structure et de la concentration de glucides simples (oses) et composés (diholosides) sur l'atténuation ultrasonore de solutions contenant ce type de molécules. Les expériences montrent qu'il n'existe aucune différence d'atténuation entre une solution aqueuse de glucose (aldose) et une solution de fructose (cétohexose) dans les mêmes concentrations molaires. Par contre les solutions aqueuses de saccharose (glucose-fructose) et de maltose (glucose-glucose) présentent des valeurs d'atténuation différentes surtout aux basses fréquences (40-150 MHz). D'autre part, l'influence de la concentration des glucides sur l'absorption ultrasonore haute fréquence (50-500 MHz) a été mise en évidence au cours de nos travaux.Our aim is to investigate the influence of the structure and concentration of simple and compound sugars on the ultrasonic absorption of solutions containing these molecules. Our experiments show no difference between the attenuation of an aqueous solution of glucose and a fructose one with the same molar concentrations. However aqueous solutions of sucrose (glucose-fructose) and maltose (glucose-glucose) exhibit different attenuation figures, mainly at low frequencies (40-50 MHz). Morever the influence of the sugars concentration on ultrasonic absorption has been evidenced at frequencies between 50 and 500 MHz

Production d'ondes acoustiques de surface focalisées et utilisation en contrôle non destructif

Surface acoustic waves, whose energy remains confined to a small layer typically one acoustic wavelength thick, are often used in non destructive testing applications. The detection of defects lying at a small depth inside the bulk of materials or evolving perpendiculary to their surface, which are not easily accessible by other methods, may then be performed. The focusing of these waves allows, moreover, a convenient spatial resolution, of the order of one acoustic wavelength, to be attained to. A new ultrasonic system is reported here for the generation of focused surface acoustic waves on non-piezoelectric materials.En contrôle non destructif, l'utilisation des ondes de surface, dont l'énergie élastique reste pratiquement confinée dans une épaisseur voisine de la longueur d'onde acoustique, permet la détection des défauts peu profonds ou évoluant perpendiculairement à la surface des échantillons. De tels défauts ne sont pas aisément accessibles par d'autres techniques de contrôle non destructif, ultrasonore ou non. La focalisation de ces ondes permet, en outre, l'obtention d'une résolution spatiale correcte, de l'ordre de la longueur d'onde acoustique. La réalisation d'un dispositif ultrasonore original permettant la génération et la focalisation des ondes de surface sur matériaux non piézoélectriques est décrite dans cet article