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Article

1 - ESSAIS PAR PROPAGATION D’ONDES ULTRASONORES

2 - EXEMPLE DE CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES

3 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AM5401 v1

Essais par propagation d’ondes ultrasonores
Essais dynamiques sur composites - Caractérisation aux hautes fréquences

Auteur(s) : Yvon CHEVALIER

Date de publication : 10 avr. 2003

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Auteur(s)

  • Yvon CHEVALIER : Professeur des Universités - Responsable de groupe de recherche vibroacoustique (GRV) au Laboratoire d’ingénierie des structures mécaniques et des matériaux (LISMMA) à l’Institut supérieur des matériaux et de la construction mécanique (ISMCM)

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INTRODUCTION

Les matériaux composites à matrice organique possèdent des propriétés d’amortissement essentiellement dues au caractère viscoélastique de la matrice et aux propriétés d’interface fibre-matrice. Ces propriétés dépendent plus ou moins fortement de la fréquence et de la température. Au niveau des composites, ces propriétés ont une dépendance directionnelle ce qui implique que ce type de matériau composite est un milieu amortissant anisotrope.

Si les propriétés d’élasticité du composite peuvent être déterminées par des essais quasistatiques, les propriétés d’amortissement nécessitent, par essence, l’utilisation des essais dynamiques. Dans la première partie de l’analyse consacrée aux essais dynamiques sur composites nous avons examiné les principes et les dispositifs d’essais permettant d’obtenir les modules techniques d’un matériau composite (excepté le coefficient de Poisson) pour des fréquences n’excédant pas la dizaine de kilohertz. Cette seconde partie, consacrée aux essais par propagation d’ondes sur composites, vient compléter le dispositif « essais dynamiques » en agissant dans deux directions : compléter la matrice des rigidités (ou des souplesses) et connaître le matériau à des fréquences largement supérieures à la dizaine de milliers de hertz.

Les dispositifs, basés sur la propagation d’ondes, doivent éviter les phénomènes d’ondes stationnaires ce qui implique de réaliser des essais en milieux semi-infinis. En d’autres termes, la longueur d’onde doit être très inférieure à la taille de l’échantillon de matériau. Compte tenu de la vitesse des ondes dans les composites (2 000 à 5 000 m/s) les essais doivent être menés à des fréquences ultrasonores. Nous illustrerons l’ensemble des essais dynamiques en caractérisant un composite viscoélastique à fibres unidirectionnelles et un composite stratifié se présentant sous forme de tube cylindrique.

Cet article constitue le second volet d’une série consacrée aux essais dynamiques sur composites :

  • Essais dynamiques sur composites. Caractérisation aux basses fréquences ;

  • Essais dynamiques sur composites. Caractérisation aux hautes fréquences ;

  • Essais dynamiques sur composites. Pour en savoir plus.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-am5401


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1. Essais par propagation d’ondes ultrasonores

Les ultrasons sont bien connus des ingénieurs dans les problèmes de contrôle non destructif . L’application des ondes ultrasonores dans le domaine des propriétés de rigidité et d’amortissement des matériaux composites est moins bien connue. Les avantages sur d’autres types d’essais sont multiples : comme les essais vibratoires, ce sont des essais non destructifs qui permettent de déterminer la quasi-totalité des modules d’élasticité et une bonne partie des coefficients d’amortissement d’un matériau composite sur un seul échantillon, ce qui évite les problèmes de dispersion et simplifie la mise en œuvre.

Ces techniques ultrasonores sont basées sur la mesure de la vitesse de phase d’une onde de volume plane se propageant à travers le matériau. L’onde, qui véhicule huit informations (direction de propagation : 2 ; polarisation : 2 ; amplitude : 1 ; nombre d’ondes : 1 ; fréquence : 1 ; atténuation, si le matériau est amortissant : 1) donne une grande souplesse à la méthode. Les concepts de base relatifs à la propagation des ondes dans les milieux anisotropes sont clairement exposés par exemple dans les ouvrages cités en références .

1.1 Principe de la méthode

La méthode de mesure repose sur les deux objectifs suivants :

  • créer des ondes planes dans le matériau composite d’une part (relation [1]) ;

  • quantifier et mesurer la vitesse de phase de ces ondes d’autre part.

Si est le vecteur de position du point courant du matériau composite, le mouvement s’effectue par ondes planes de volume si le déplacement est de la forme :

( 1 )

avec i nombre imaginaire tel que :

i2
 : 
=...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CINQUIN (J.) -   Les composites en aérospatiale.  -  [AM 5 645] Traité Plastiques et Composites (2002).

  • (2) - LUCAS (D.) -   Les matériaux composites en construction navale militaire.  -  [AM 5 660] Traité Plastiques et Composites (2000).

  • (3) - GLOAGUEN (J.-M.), LEFEBVRE (J.-M.) -   Nanocomposites polymères/silicates en feuillets.  -  [AM 5 205] Traité Plastiques et Composites (2007).

  • (4) - CHEVALIER (Y.) -   Essais dynamiques sur composites – Caractérisation aux basses fréquences.  -  [AM 5 400] Traité Plastiques et Composites (2002).

  • (5) - CHEVALIER (Y.) -   Essais dynamiques sur composites – Caractérisation aux hautes fréquences.  -  [AM 5 401] Traité Plastiques et Composites (2003).

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Bruel et Kjaer (excitateurs électromécaniques, analyseurs de spectre, accéléromètres, éléments de montage) http://www.bksv.fr

Metravib (dispositif de mesure complet) http://www.01db-metravib.com

Hewlet-Packard (générateurs de signaux, oscilloscopes) http://www.hp.com

Sofranel (capteurs ultrasonores, générateurs de signaux) http://www.sofranel.com

Lescate (propagation d'ondes ultrasonores dans l'air) http://www.lescate.com

MB Électronique http://www.mbelectronique.fr

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1.2 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles –...

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