Ondes de Rayleigh et interaction...

Ondes de Rayleigh et interaction avec un défaut surfacique

Les ondes de Rayleigh sont remarquablement bien engendrées par une impulsion laser. Nous avons étudié leur génération et leur propagation sur une sphère et sur un cylindre. Ces ondes sont bien adaptées à la détection de défauts proches de la surface. Les applications potentielles vont du contrôle non destructif de billes de roulement à celui d’arbres moteur.

La propagation des ondes de Rayleigh sur une surface courbe (cylindre ou sphère de rayon a) est dispersive : la vitesse de phase dépend du nombre d’onde k. Nous avions déjà observé, sur des billes d’acier, l’étalement du signal après plusieurs tours. Cet effet, dû aux composantes de basse fréquence de l’impulsion, apparaît aussi dans le cas d’un cylindre (ka < 10). A l’aide d’un laser YAG délivrant des impulsions brèves (10 ns) et en mesurant le déplacement mécanique pour différents angles θ entre la ligne génératrice et le point de détection, nous avons mis en évidence un autre phénomène : l’inversion du déplacement au voisinage de θ = 90°.
Cet effet a été expliqué par le comportement de la courbe de dispersion pour les hautes fréquences (ka > 100). Le déphasage dû à la faible différence entre la vitesse de phase de l’onde de surface et celle de l’onde de Rayleigh sur un plan se cumule sur un grand nombre de longueurs d’onde et atteint π pour un angle θr, indépendant du rayon du cylindre. Un développement asymptotique de l’équation de dispersion montre que cet angle θr est proche de 90° pour la plupart des matériaux. Ce résultat a été vérifié expérimentalement sur des cylindres en acier, en duralumin et en laiton.

Dans le cas d’une sphère, lorsque la ligne source est placée sur un méridien et symétriquement par rapport à l’équateur, un phénomène de focalisation à 90° au niveau de l’équateur, naturellement dû à la géodésie de la surface s’ajoute au phénomène d’inversion du déplacement.

Focalisation de l’onde de Rayleigh à la surface d’une sphère .

Effet d’inversion du déplacement et de focalisation de l’onde de Rayleigh.

En présence d’un défaut surfacique, nous avons montré la faisabilité d’un contrôle industriel, par ultrasons laser, de pièces cylindriques. Nous avons analysé l’interaction entre une onde de Rayleigh et une fente parallèle à une génératrice d’un cylindre d’acier. Cette évolution a été simulée par une méthode aux différences finies. Nous avons montré qu’il était possible de détecter, pendant la première révolution, des défauts de profondeur inférieure à 0,2 mm. Dans le cas de défauts plus petits, nous avons exploité l’existence d’un effet cumulatif pour les ondes de Rayleigh réfléchies pour détecter des fentes de profondeur 0,08 mm. Des essais concluants ont été effectués sur des pièces industrielles (vis, collerettes) présentant des fissures naturelles provoquées par le frappage de la pièce. La méthode et le dispositif expérimental ont été transférés au CETIM (Senlis) pour leur évaluation en vue d’une application industrielle. Clorennec et. al., Clorennec et. al., Clorennec et. al.


- Clorennec D, Royer D, Investigation of surface acoustic wave propagation on a sphere using laser ultrasonics, Appl. Phys. Lett. 85 (12) : 2435-2437, 2004
- Clorennec D, Royer D, Analysis of surface acoustic wave propagation on a cylinder using laser ultrasonics , Appl. Phys. Lett. 82 (25) : 4608-4610, 2003.
- Clorennec D, Royer D, Walaszek H, Nondestructive evaluation of cylindrical parts using laser ultrasonics, Ultrasonics 40 (1-8) : 783-789, 2002.

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