Les ultrasons dans le contrôle des matériaux
Jusqu'ici, nous avons évoqué les propriétés de base du son, ainsi que celles des sons audibles. Les processus physiques sont les mêmes pour les sons audibles que pour les ultrasons, mais les oscillations de ces derniers sont si rapides qu'ils ne peuvent pas être perçus par l'oreille humaine. Le seuil d'audibilité est d'environ 0,02 MHz, alors que le contrôle par ultrasons utilise des fréquences comprises entre environ 0,5 MHz et 20 MHz (1 MHz = 1 000 000 d'oscillations par seconde). Le fait que les ultrasons ne puissent pas être vus, entendus ou autrement perçus par les humains ne simplifie pas la compréhension de leurs effets, mais l'avantage est que, lors des contrôles, il est possible d'utiliser des intensités sonores élevées qui ne seraient pas supportables si elles se trouvaient dans la plage audible. Nous allons à présent nous intéresser aux oscillations ultrasonores. Tous les milieux, qu'ils soient solides, liquides ou gazeux, peuvent être soumis à des oscillations. Si ces oscillations sont si rapides qu'elles se situent au-dessus de la limite d'audibilité humaine, on parle d'ultrasons. Ce sont en fait les petites particules du milieu (que l'on imagine interconnectées de manière élastique) qui oscillent. Le type d'oscillation est déterminé par les propriétés élastiques du milieu et par l'impulsion qui le fait osciller. L'onde sonore se propage dans le milieu à la vitesse du son. On peut décrire l'oscillation sonore comme un mouvement des particules dans le matériau, en fonction de l'emplacement et du temps (par exemple, déviation des particules = f (z, t)), ou comme une modification de la pression acoustique en fonction de l'emplacement et du temps (p = f (z, t)). Lorsque l'on parle de pression acoustique dans le secteur du contrôle des matériaux, on fait référence à la pression acoustique qui alterne avec les oscillations. Cette pression acoustique est particulièrement importante, car le potentiel électrique généré par une plaque piézoélectrique U = f (z, t) est directement proportionnel à la pression acoustique de l'onde sonore incidente, et vice-versa. La figure 14 représente la propagation du son dans les corps liquides, gazeux et solides. Les particules oscillent dans la direction de propagation de l'onde. Ce sont ce que l'on appelle des ondes longitudinales. Des particules très tassées impliquent une déviation moins importante, et donc une vitesse des particules et une pression acoustique élevées. Si les forces de cisaillement peuvent être transférées dans le milieu (ce qui est surtout le cas des milieux solides), les particules peuvent aussi vibrer de manière transversale par rapport à la direction de propagation de l'onde, c'est pourquoi on parle d'ondes transversales (fig. 15). Toutefois, un tel cas idéal ne peut exister que dans un milieu infini. Si, lors d'un contrôle, une réflexion se produit au niveau des limites extérieures de la pièce contrôlée (dans les plaques, tiges, etc.), des formations d'ondes complexes se développent : ondes de plaque, ondes de tige (fig. 16) et ondes de surface. Les équations applicables aux ondes longitudinales et transverses pures ne s'appliquent pas à ces ondes complexes. Tous ces types d'ondes peuvent être présents en même temps dans la pièce contrôlée, ce qui rend l'interprétation des indications beaucoup plus difficile. Les paramètres physiques des ultrasons les plus importants pour le contrôle des matériaux sont les suivants :
Les relations suivantes existent entre les différents paramètres :
La pression acoustique est donc proportionnelle à l'impédance acoustique Z, à la fréquence f et à la déviation des particules e.
La densité de puissance acoustique (ou intensité) J est directement proportionnelle à l'impédance acoustique Z, au carré de la fréquence f et au carré de la déviation des particules. Les relations suivantes existent entre la vitesse du son et les propriétés élastiques :
