Identification des différents modes de propagation

Banc instrumental laser

Le banc instrumental laser permet de réaliser des mesures ponctuelles, sans contact et a pour but de suivre la propagation des ondes afin d’optimiser les capteurs ou de réaliser un contrôle non destructif (CND) de matériaux [1]–[3]. Ce banc de mesure est constitué des appareils suivants : un vibromètre laser, un oscilloscope, un générateur de signaux impulsionnels, un générateur de signaux arbitraires, des platines de translation et leur contrôleur, des transducteurs ultrasonores (capteurs et émetteurs), un poste de contrôle (voir sur la Figure III-1). Les principales fonctions du banc sont les suivantes :  Excitation. Les capteurs étudiés ici sont piézoélectriques, l’excitation des ondes se fait à l’aide d’un générateur de tension. Suivant le type de réponse du capteur, plusieurs formes de tensions sont disponibles : impulsion, sinusoïdal permanent, etc.  Détection optique. Les ondes ultrasonores générées sur le capteur sont ainsi détectées par le vibromètre laser, ce dernier envoie le signal au démodulateur.  Acquisition numérique. Le signal démodulé est transmis à l’oscilloscope. Enfin grâce au poste de contrôle, nous faisons une acquisition du signal visualisé sur l’oscilloscope afin d’analyser les caractéristiques du signal (amplitudes, fréquences, spectre, etc.).  Contrôle mécanique. L’ordinateur est connecté au contrôleur des moteurs pour la gestion des déplacements afin de balayer sa surface avec le faisceau laser. Figure III-1 : Banc expérimental. 

Vibromètre laser

Dans ce travail, nous avons utilisé un vibromètre laser monopoint Polytec, dont le modèle de tête de mesure est OFV-505 (class 2, < 1 mW et longueur d’onde de 632 nm) et le modèle de contrôleur haute-fréquence est OFV-2570 (mesure de fréquences entre 30 kHz et 24 MHz pour le décodeur de déplacement). Chapitre III : page 68 Ce système permet de mesurer des mouvements d’une surface en vibration de l’ordre du nanomètre. Avec la lentille longue focale (OFV-LR), la taille typique du spot laser est de 18 µm à une distance de 500 mm et 62 µm à 1000 mm. Pour échantillonner correctement une longueur d’onde, outre le critère de Nyquist, le diamètre du spot laser doit être inférieur à la moitié de la plus petite longueur d’onde. Dans l’étude menée, ce deuxième critère sera respecté car, dans le cas le plus défavorable (pour une fréquence de 24 MHz et la vitesse de phase la plus faible, celle de l’onde transverse ct = 3334m/s), cette longueur d’onde limite sera de l’ordre de 140 µm, soit plus du double du diamètre de spot laser.

Oscilloscope

L’oscilloscope numérique (modèle LeCroy WaveSurfer 24Xs-A) est un instrument de mesure qui nous permet de visualiser les différents signaux électriques que nous souhaitons analyser, à savoir le signal de l’onde de référence et le signal caractéristique produit par la vibration de la surface. Les spécifications de cet oscilloscope sont les suivantes : la fréquence d’échantillonnage peut aller jusqu’à 2,5 GS/s, la bande passante est de 200 MHz et la résolution verticale est de 8-bits. L’appareil est contrôlé grâce au logiciel Matlab sur lequel nous avons réalisé un programme de pilotage de l’instrument. L’oscilloscope communique avec l’ordinateur de contrôle via le réseau local afin d’éviter d’être perturbé par les incidents de coupure de réseau Ethernet de l’université.

Générateur d’impulsion

Le générateur de signaux ultrasonores (modèle Olympus Panametrics–NDT 5800PR) que nous utilisons est un générateur d’impulsion pilotable par ordinateur, souvent utilisé dans des applications de contrôle par ultrasons : CND de métaux, plastiques, échantillons composites. Chapitre III : page 69 Il génère des impulsions de tension sans charge négatives de 300 V, d’énergie typique jusqu’à 100 μJ, d’une bande passante entre 1 kHz et 35 MHz.

Platines de translation

Le vibromètre laser que nous utilisons ne peut détecter les vibrations qu’en un point sur la surface d’échantillon : afin de réaliser les mesures en différents points, nous utilisons deux translations qui déplacent les échantillons. Deux platines de translation linéaire (modèle Newport ILS 150 CCL) sur butées à billes sont mises en place, afin d’assurer le mouvement en deux dimensions (X, Y) pour la cartographie des échantillons. La gamme de mouvement peut aller jusqu’à 150 mm, le mouvement incrémental minimum est de 1 µm et la vitesse maximum est de 50 mm/s. En outre, nous disposons d’un contrôleur universel pour 1 à 3 axes (modèle Newport ESP 300) qui permet de gérer le positionnement des platines et la vitesse de leurs déplacements. Le programme Matlab réalisé permet de piloter les platines, grâce à un port série entre le poste de contrôle et le contrôleur, puis grâce à une liaison parallèle via GPIB (General Purpose Interface Bus) entre le contrôleur et les platines.