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Submitted on 1 Jan 1985

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Analyse expérimentale des phénomènes de conversionliés à l’interaction d’une onde de Rayleigh avec une

rainure de forme rectangulaireE. Baron, M. de Billy, G. Quentin

To cite this version:E. Baron, M. de Billy, G. Quentin. Analyse expérimentale des phénomènes de conversionliés à l’interaction d’une onde de Rayleigh avec une rainure de forme rectangulaire. Re-vue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1985, 20 (6), pp.369-375.�10.1051/rphysap:01985002006036900�. �jpa-00245346�

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Analyse expérimentale des phénomènes de conversionliés à l’interaction d’une onde de Rayleighavec une rainure de forme rectangulaire (+)

E. Baron (*), M. de Billy et G. Quentin

Groupe de Physique des Solides de l’Ecole Normale Supérieure, Université Paris 7, Tour 23,2, place Jussieu, 75251 Paris Cedex 05, France

(Reçu le 4 octobre 1984, révisé le 15 février 1985, accepté le Il mars 1985)

Résumé. 2014 Nous nous proposons d’étudier les propriétés directionnelles des ondes de volume engendrées parl’interaction d’une onde de surface avec une rainure de forme rectangulaire usinée au centre de la face plane d’undemi-cylindre. En nous limitant au problème à deux dimensions (la rainure est supposée infinie suivant l’axe ducylindre), nous avons mesuré les diagrammes angulaires Sj(03B8) (0 est l’angle sagittal) représentatifs de l’intensiténormalisée emportée par chaque type d’onde de volume. Les résultats expérimentaux sont discutés et comparésavec les calculs théoriques basés sur la technique des petites perturbations développée par Parekh et Tuan [J.Appl. Phys. 48 (1977) 994-1003].Abstract 2014 In this paper, we study the surface wave to bulk wave conversion of a Rayleigh wave incident ona rectangular groove engraved on a duralumin sample. The depth h of the groove verify the condition 03B5 = h/03BBR ~ 1

to be in agreement with the théoretical assumption (03BBR is the wavelength of the Rayleigh wave in the medium).The angular variations of the incident power converted into bulk waves are measured versus the sagittal angle 03B8.The experimental results are discussed and compared with the theoretical model based on the perturbation tech-nique developed by Parekh and Tuan [J. Appl. Phys. 48 (1977) 994-1003].

Revue Phys. Appl. 20 (1985) 369-375 JUIN 1985, PAGE

Classification

Physics Abstracts43.20

Introduction.

Le contrôle non destructif des matériaux (NDE) ainsique le traitement du signal sont deux domaines quiont motivé jusqu’à présent de nombreuses étudesconcernant en particulier l’interaction d’ondes acous-tiques de surface avec des discontinuités superficielles.Ces ondes qui se propagent à la surface des milieux

élastiques homogènes et dont l’amplitude décroît

rapidement avec la profondeur sont mathématique-ment bien définies et relativement faciles à générerexpérimentalement. Ce type d’onde acoustique est

utilisé pour rechercher et localiser des défauts de petitetaille, de dimensions, en général, inférieures ou égalesà la longueur d’onde. On peut observer alors desphénomènes de diffraction, de réflexion et de diffusionde l’onde incidente. Ce dernier effet est le plus étudié

(+) Cette étude a été soutenue par la DRET (Contratn° 83-070).

(*) ETCA, 16 bis, avenue Prieur-de-la-Côte-d’Or, 94114Arcueil Cedex, France.

et le plus révélateur aussi, car il permet de résoudre leproblème inverse : caractériser un défaut connaissantla figure de diffusion qu’il engendre.

Parfois, des inhomogénéités artificielles (telles quedes rainures, des marches... simples ou en réseauxpériodiques) sont gravées en surface pour des applica-tions pratiques. Lorsqu’une onde de surface rencontrece type de défauts, elle est partiellement convertie enondes de volume. Dans le cas des dispositifs à ondes desurface (SAW), cette génération d’onde de volumereprésente une perte d’énergie non souhaitée. Parcontre, il faut souligner le développement d’appareils(grating scanners) à balayage pour lesquels la généra-tion d’ondes de volume est souhaitée et doit êtrefavorisée [1]. De ces brèves considérations, il ressort

que les phénomènes de conversion d’ondes de surfaceen ondes de volume est un problème important quimérite une attention toute particulière.

Les différents phénomènes (réflexion, transmissionet conversion de mode) qui peuvent se produirelorsqu’une onde de surface interagit avec une rainuresuperficielle ont été étudiés théoriquement. Tuan et

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:01985002006036900

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Li [2] ainsi que Simons [3] ont étudié la réflexion d’uneonde de Rayleigh par une rainure de forme rectangu-laire. Simons a généralisé l’analyse précédente au casd’un réseau périodique de rainures ou de marches.En ce qui concerne la conversion d’une onde de sur-

face en ondes de volume, Tuan [4] et Parekh [5] ontdéveloppé une approche théorique distinguant lesrainures à fond plat des autres profils.Le problème théorique a été résolu par la technique

des petites perturbations au premier ordre [6-8].Ronnekleiev et Souquet [9, 10] ont utilisé la mêmeapproche pour étudier le cas d’un ensemble infini derainures. Ces recherches ont montré que, quel quesoit le type de défaut, les ondes de volume sont engen-drées et que la distribution angulaire de l’énergieportée par ces ondes dépend très fortement de la largeurde la fente et non de son profil. Les propriétés direc-tionnelles de ces ondes de volume peuvent être décritespar une fonction sans dimension Sj(03B8) où j = 1 pourune onde de volume longitudinale et j = 1 pour uneonde de volume transversale. Cette fonction représentele diagramme angulaire de l’intensité acoustique nor-malisée transportée par les ondes de volumes dans ladirection 0 (0 est l’angle sagittal et représente la

variable).Nous avons limité nos mesures au cas de rainures de

forme rectangulaire tracées sur la face plane d’un demi-cylindre de duraluminium et selon l’axe du cylindre.Les expériences ont été conduites à différentes fré-

quences de façon à observer l’évolution des diagram-mes Sj(03B8) en fonction du rapport e = hlÂR où h désignela profondeur de la rainure et ÂR la longueur d’ondeassociée à l’onde de Rayleigh incidente.

1. Rappels théoriques.

Dans cette partie, nous résumons la formulation

théorique proposée par Tuan pour calculer l’intensitéacoustique transportée par les ondes de volume engen-drées lors de l’interaction d’une onde de Rayleighavec une rainure superficielle de profil quelconquemais supposée infinie dans la direction perpendiculaireà la direction de propagation OX de l’onde incidente

Fig. 1. - Géométrie du problème.

[Geometry of the problem.]

(voir Fig. 1). Evaluer cette intensité revient à calculerle vecteur de Poynting donné par la relation :

dans laquelle û représente le vecteur déplacement et T*le complexe conjugué du tenseur des contraintes.

Après calculs, on peut montrer que le vecteur P estpurement radial et peut s’écrire :

avec

et

p est le vecteur unitaire dans la direction de propaga-tion, À et li sont les coefficients de Lamé,

úJ est la pulsation, Cl, Ct et CR sont les célérités desdifférents types d’ondes.

B est un nombre sans dimension, très petit devant 1(03B5 ~ 1).

~1 et 03C81 représentent les premiers termes du déve-loppement en série des champs rayonnés dans le solide.Nous allons évaluer ces potentiels dans le cas parti-

culier d’un profil rectangulaire.L’échantillon qui se situe dans le demi-espace

(Z 0) est supposé élastique, isotrope et homogène.La rainure de largeur 2 a présente une section droiteconstante dans la direction 0 Y et peut être décrite parl’équation :

où f(X) est une fonction qui caractérise la forme de larainure avec f(o) = - 1 pour tous les profils. (Pourun profil rectangulaire, f(X) est définie sur la Fig. 2.)Cette dernière propriété impose que la profondeurh = ÂR 03B5f(o) = - 03BBR e soit très petite devant la

longueur d’onde de Rayleigh 03BBR. Cette inégalité étantsatisfaite, Tuan [4] a montré que les solutions au pre-mier ordre des potentiels 03B5~1 et 03B503C81 pouvaient s’écrireen coordonnées polaires (p, 0) et pour des valeursélevées de kt p et kt p (champ lointain) sous la formesuivante :

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Fig. 2. - Définition du profil f(x) :

[Définition of the profile f(x).]

où

et

et

F(k) = 4 k2 03BEt ’1 + (ki - 2k 2)2 étant l’équation dedispersion de Rayleigh.

Les fonctions P(k) et Q(k) sont données par leséquations (10a) et (lOb) de la référence [5]. Elles

dépendent de la forme du profil par la fonction H(k).Dans le cas du profil étudié (rectangulaire), noustrouvons :

La quantité 1 contrôle la pente de la rainure et a étéchoisie de manière à satisfaire la condition 1 ~ a (cas

d’une rainure rectangulaire). Connaissant les expres-sions des potentiels eqJ 1 et 03B503C81, il est alors possibled’évaluer Sv1(03C1, 0) et Svt(03C1, 0).

L’étude présente ne s’intéressant qu’aux propriétésdirectionnelles des ondes de volume engendrées dansle solide, il apparaît plus adapté, en accord avec Tuanet Parekh, de définir à partir des équations (3) et (4)deux fonctions Si(0) et Sv(03B8) représentatives des dia-grammes angulaires de l’intensité normalisée suivant letype d’onde étudiée. Nous trouvons alors :

soit en fonction des potentiels :

Sur la figure 3, nous avons reproduit quelques tracésthéoriques typiques représentant les variations enfonction de l’angle sagittal 0, des quantités :

où W; représente la puissance incidente normaliséedonnée dans la référence [9] :

2. Dispositif de mesure et procédure expérimentale.

Nous avons étudié expérimentalement la conversionde mode par des rainures de forme rectangulaireusinées au centre de la face plane d’un demi-cylindre deduraluminium taillé dans un barreau de 200 mm dediamètre et de 40 mm de hauteur (Fig. 4a-4b)., Lesdimensions de la rainure gravée suivant la direction del’axe du cylindre sont respectivement de 3,28 mm et4 mm pour la largeur (2 a) et de 0,15 mm pour la pro-fondeur (h) (Fig. 4c). L’onde de surface est générée parla méthode du coin [11] et se propage jusqu’à la rainuresur une surface lisse. Le récepteur est solidaire d’unbras permettant de le faire tourner autour de la facecourbe de l’échantillon. L’axe de rotation est confonduavec l’axe du demi-cylindre (Fig. 5). Ainsi, la distanceentre l’émetteur et le récepteur reste constante au coursde l’expérience et fixée à 15 cm. La position du récep-teur est repérée à l’aide de l’angle 0 défini commel’angle entre le plan de l’interface air-échantillon etl’axe du récepteur. Cet angle peut varier entre 100 et

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Fig. 3. - Courbes théoriques représentant les variations deS’1 et S’t en fonction de l’angle sagittal 0 : a) S’1(03B8); F =

0,8 MHz, b) S’t(03B8); F = 0,8 MHz; c) S’1(03B8); F=1,2 MHz;d) S’t(03B8) ; F = 1,2 MHz.

[Theoretical curves of Si and S; given by the Tuan’s formu-lations : a) Si, F = 0.8 MHz; b) St, F = 0.8 MHz; c) Si,F = 1.2 MHz; d) S’t, F = 1.2 MHz.]

Fig. 4. - Description de l’échantillon.

[Description of the sample.]

170°, compte tenu de l’encombrement des palpeurs. Lerécepteur et l’émetteur sont disposés de telle façon queleur axe d’émission et de réception se situe dans lemême plan contenant la normale à l’interface.Le couplage entre le demi-cylindre et le récepteur

est assuré par un fluide visqueux. Un système à vispermet d’appliquer une pression constante sur le

récepteur de manière à assurer un couplage aussireproductible que possible.

Fig. 5. - Dispositif mécanique.

[Mechanical arrangement.]

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L’émetteur est excité par des impulsions longues(6 03BCs). Une chaîne classique de réception amplifie lesignal reçu et le visualise sur l’écran d’un oscilloscope.Ce signal est le plus souvent constitué de plusieursimpulsions. Si l’identification de chacune d’elles s’avèredifficile,, il est relativement simple d’isoler le signalprovenant de la conversion de l’onde de Rayleigh enonde de volume et diffusé dans la direction 0. Lesvariations de l’amplitude de ce signal, en fonction del’angle sagittal 0, sont relevées tous les 50 de 10° à170°. Suivant le type de l’onde de volume à détecter(longitudinale ou transversale), nous utilisons un pal-peur sensible au déplacement particulaire longitudinalou transversal. Les points expérimentaux correspon-dent à la moyenne des amplitudes effectuées sur troisrelevés. Les fréquences de travail (2,25 et 1 MHz) sonttelles que h vérifie l’inégalité h ~ ÂR*

Fig. 6. - Comparaisons des diagrammes angulaires théo-rique S’j(03B8) ( ) et expérimental Vj(03B8) (-. -). a) Cas del’onde de volume longitudinale, F = 1 MHz et 2 a =

3,28 mm. b) Cas de l’onde de volume transversale, F =1 MHz et 2 a = 3,28 mm.

[Comparison of the theoretical (2013) and experimental(201320222013) angular distributions of S’-a) and St-b) for F =1 MHz.]

REVUE DE PHYSIQUE APPLIQUÉE. - T. 20, w 6, JUIN 1985

3. Résultats expérimentaux et discussion.

La mesure de l’intensité incidente étant très difficile

expérimentalement, nous n’avons pu que mesurer unequantité V1(03B8) [ou Vt(0)] proportionnelle à S’(0)[ou S’t(03B8)]. Le coefficient de proportionnalité est essen-tiellement fonction des caractéristiques acoustiques dumatériau dans lequel se propagent les ondes de volumeengendrées au niveau de la rainure.La largeur des rainures (3,28 mm et 4 mm) a été

choisie de façon à ce que le coefficient de réflexion Rau niveau de la fente soit minimal [5] à la fréquenceF = 2,25 MHz. Pour l’autre fréquence (1 MHz), lalargeur de la fente (3,28 mm) correspond à une valeurintermédiaire de R.

Sur les figures 6 à 8, nous avons représenté les varia-tions angulaires (201320222013) de VI(O) et de Vt(03B8) observées

Fig. 7. - Comparaisons des diagrammes angulaires théo-rique S’j(03B8) ( ) et expérimental Vie) (-8-). a) Casde l’onde de volume longitudinale, F = 2,25 MHz et 2 a =3,28 mm. b) Cas de l’onde de wolume transversale, F =2,25 MHz et 2 a = 3,28 mm.

[Comparison of the theoretical ( ) and experimental(201320222013) angular distributions of Sl-a) and x’-b) for F =2.25 MHz.]

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Fig. 8. - Comparaisons des diagrammes angulaires théo-rique S’j(03B8) ( ) et expérimental Vj(03B8) (201320222013). a) Cas del’onde de volume longitudinale, F = 2,25 MHz et 2 a =4 mm. b) Cas de l’onde de volume transversale, F =

2,25 MHz et 2 a = 4 mm.

[Comparison of the theoretical (2013) and experimental(201320222013) angular distributions of S§-a) and S’t-b) for F =2.25 MHz, 2 a = 4 mm.]

expérimentalement pour différentes largeurs du profil(2 a = 3,28 et 4 mm) et diverses fréquences (F = 1 MHzet 2,25 MHz). Ces courbes expérimentales sont arbi-trairement normalisées par rapport au premier maxi-mum observé sur la courbe théorique (-) tracée àtitre de comparaison pour chaque expérience et repré-sentant les variations angulaires de S’1(03B8) ou S’t(03B8).On observe entre les deux tracés (théorique et expé-

rimental) un assez bon accord : les positions théoriquesdes maxima et des minima sont confirmées par l’expé-rience ; l’écart est inférieur à 100. A l’exception descourbes représentées sur les figures 7b et 8a, les varia-tions angulaires V1(03B8) et Vt(03B8) respectent l’amplituderelative des pics entre eux et les minima sont peuprononcés à cause de l’ouverture des palpeurs utilisésen réception.Un effet caractéristique domine les variations de

V1(03B8), c’est la présence pour des angles d’incidence0 > 700, d’un « glissement » progressif de la courbe parrapport aux variations théoriques S’(0). Ce « glisse-

ment » est particulièrement visible sur la figure 7a ; ilne peut s’expliquer par une imprécision sur la valeurdes dimensions de la fente qui sont définies à 10-2 près.En revanche, une analyse théorique systématique del’influence de la fréquence sur le diagramme de diffu-sion a montré qu’une variation de la fréquence del’onde incidente de 5 % entraîne un « glissement pro-gressif » de la courbe S’1(03B8) pouvant atteindre 10° pourles valeurs élevées de 0. Une modification de la fré-

quence de résonance au cours de l’expérience peut doncrendre compte de ces désaccords. Ce changement defréquence peut être aussi le résultat de l’interaction del’onde de surface avec la rainure comme cela a été prévuthéoriquement par Maradudin [12] dans le cas d’unesurface rugueuse aléatoire.En ce qui concerne les tracés de Vt(O), on note un bon

accord entre les valeurs expérimentales et les prévisionsthéoriques pour les valeurs de 0 > 700 dans le cas de larainure de largeur 2 a = 3,28 mm. Pour l’échantillonpossédant la rainure de largeur 2 a = 4 mm, l’accordest bon quel que soit l’angle d’incidence. Aux restric-tions angulaires près mentionnées ci-dessus, la positiondes pics et des minimum est assez bien respectée demême que l’amplitude relative des pics entre eux.Dans le cas où 0 70°, les désaccords observés se

manifestent par le déplacement du premier pic (cf.Fig. 6b) ou par la présence d’oscillations qui traduisentl’existence d’interférences dans cette zone angulaireparticulière (cf. Fig. 7b). Nous avons attribué l’originede ces différences (entre la théorie et l’expérience) auxeffets liés à l’interface solide-solide [13,14] et à la façondont est créée l’onde de surface.Du fait de l’ouverture du faisceau dans le coin en

contact avec l’échantillon, des ondes de volume sontgénérées dans les deux milieux en plus de l’onde desurface. C’est ainsi que la présence d’une onde « trans-versale directe » a été mise en évidence pour des valeursde 0 inférieures à 400. Ce faisceau dont la structure

dépend de la forme de l’émetteur (rectangulaire ou cir-culaire) peut interagir avec l’onde de volume transver-sale engendrée lors de la conversion de surface en ondede volume et donne naissance à des interférences. Rap-pelons enfin que si une onde incidente transversale àpolarisation horizontale (SH) est utilisée pour générerl’onde de Rayleigh, il n’existe qu’une seule onde trans-mise et réfléchie, ce qui devrait avoir pour effet dediminuer les effets parasites. Ce résultat semble êtreconfirmé par la courbe représentée sur la figure 8b.Au cours de cette expérience, l’onde de surface étaitgénérée à l’aide d’une’onde incidente SH, contraire-ment aux autres expériences effectuées sur l’échan-tillon de largeur 3,28 mm pour lesquelles une onde àpolarisation longitudinale (P) a été utilisée.

4. Conclusion.

Les mesures expérimentales que nous avons obtenuesdonnant la répartition directionnelle de l’intensité

transportée par les ondes de volume confirment la

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validité du modèle théorique développé par Parekh etTuan dans le cas où h/03BBR ~ 1, et soulignent la trèsgrande influence des conditions expérimentales pour cetype d’expérience.

Une analyse critique des courbes expérimentalesjointes à une étude des conditions de réalisation del’expérience montre que l’utilisation de palpeur à ondeSH et circulaire est bien adaptée à ce genre d’étude.

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