Caractéristiques des faisceaux sonores dans le contrôle par ultrasons
En raison du nombre élevé d'oscillations (MHz) dans une onde ultrasonore et de la longueur d'onde réduite associée, les sources d'ultrasons présentent une forte caractéristique directionnelle. Des amplitudes de pression acoustique p notables ne peuvent être confirmées que dans un petit secteur de l'espace. L'essentiel du champ sonore, qui correspond à la portion la plus significative pour les contrôles, se limite à un secteur étroit du champ. Ce secteur est appelé faisceau sonore.
Pour comprendre cet effet directionnel, on peut considérer la surface du transducteur comme un réseau de points émettant des ondes sonores. Chaque onde sonore émise par un tel point se propage de manière sphérique. Pour atteindre un point Q de l'espace, ces ondes ont des temps de transit différents (fig. 20). Ici, les différentes ondes se chevauchent, interfèrent et, selon la phase et l'amplitude, génèrent la pression acoustique totale au point Q. Les effets des interférences peuvent être très différents selon la position du point Q. La fig. 21 montre comment le son est regroupé dans un secteur étroit en raison des interférences, avec un cristal pour lequel D/λ = 10. Dans la zone située immédiatement devant le transducteur, il existe une zone présentant de fortes variations de pression acoustique : c'est le « champ proche ». Le maximum de pression le plus éloigné du transducteur marque la fin du champ proche. C'est à ce point que le faisceau sonore est le plus concentré. Chaque source sonore a son propre champ proche, dont la forme est influencée par la forme du transducteur.
Dans le cadre du contrôle des matériaux, il est très important de savoir quelle portion du faisceau sonore est disponible. Cela implique donc de connaître la plage de fonctionnement de la sonde. La question suivante se pose souvent : avec un transducteur plat en forme de disque, les bords du faisceau, à l'intérieur duquel un écho provenant d'un point réflecteur ne réduit pas de plus qu'une valeur définie, se trouvent-ils en dessous de la pression maximale sur l'axe ? Si une sonde présente un facteur directionnel R = 1 sur l'axe acoustique, alors elle génère, en un point Q n'appartenant pas à l'axe, une pression R < 1.
Une onde sonore réfléchie à partir de ce point est récupérée par la même sonde avec cette même valeur réduite R < 1. Le signal de retour, indépendant du réflecteur (point) est positionné selon le facteur directionnel R2 par rapport à l'axe acoustique. Dans le système dB :
Une diminution d'amplitude de 20 dB à partir d'un écho de réflecteur ponctuel signifie une réduction du champ libre de 20/2 = 10 dB. La fig. 22 illustre cette limitation de faisceau précise dans le champ éloigné et enveloppante dans le champ proche. Il n'y a pas de pression acoustique notable en dehors de ce faisceau. Ainsi, la fig. 22 présente le modèle de rayonnement acoustique d'une sonde.
Le champ proche présente un faisceau dont le diamètre est approximativement celui du cristal ; il est toutefois réduit à la moitié du diamètre du cristal à l'extrémité du champ proche.
L'angle de divergence γ est constant, car l'amplitude de la pression acoustique p normale à l'axe acoustique pour le cristal en forme de disque suit l'équation suivante :
Pour les cristaux rectangulaires, l'équation suivante s'applique.
Où pour s, on utilise le côté a ou b du cristal. D'après les équations 10 et 11 et la fig. 23, les angles de réfraction γ6 et γ20 appartiennent aussi aux cas importants de diminution d'amplitude de 6 dB et 20 dB.
Pour les oscillateurs en forme de disque :
γ6 = arc sin 0,51 λ/D
γ20 = arc sin 0,87λ/D
Pour les oscillateurs rectangulaires :
γ6= arc sin 0,44 λ/s
γ20 = arc sin 0,74 λ/s
(s = n'importe quel côté (a ou b) de l'oscillateur.)
Avec la distance z depuis le transducteur, la pression acoustique varie également. L'équation suivante s'applique pour un transducteur en forme de disque :
(D = diamètre du transducteur, z = distance). Pour des distances z plus grandes, on peut utiliser l'approximation suivante de l'équation (12) :
Dans le système dE3, cela devient :
Le principe suivant s'applique à tous les transducteurs, quelle que soit leur forme : pour de grandes distances, la pression acoustique décroît proportionnellement à la distance (équation 13), ou la courbe de la pression acoustique en fonction du logarithme de la distance (équation 14) est une droite. La zone dans laquelle cette relation s'applique est appelée « champ lointain ». La plage située entre le champ proche et le champ lointain est appelée « plage de transition ». La loi de distance pour un transducteur carré, qui ne peut pas être décrite aussi facilement que dans l'équation 12, est donnée dans la fig. 25.
Le tableau 4 est une table auxiliaire permettant d'estimer la largeur du faisceau sonore pour le champ libre et l'écho avec des transducteurs en forme de disque et rectangulaires. La largeur du faisceau (mesurée à partir de l'axe) est alors calculée ainsi :
Le tableau 5 présente les longueurs des champs proches pour différents transducteurs en forme de disque et différents milieux.
