IBTS-77-RP-1000
Système de visualisation ultra-rapide
La méthode retenue est une méthode optique de visualisation de phénomènes acoustiques. Optique, car les informations enregistrées, visibles, dépendent de l’indice de réfraction local du fluide. Dans la plupart des cas, la variation de l’indice de réfraction est causée par une modification de la densité du fluide à l’exception du cas des fluides biréfringents. Un faisceau de lumière qui traverse le champ d’expérience est dévié par la répartition inhomogène d’indice de réfraction induite par le passage de l’onde acoustique. Ce faisceau de lumière subit une déflexion et la phase des rayons déviés est décalée relativement aux rayons non perturbés. Ces deux manifestations permettent non seulement de visualiser, sur un support sensible à la lumière, les phénomènes à l’origine de la perturbation, mais elles permettent également d’effectuer des mesures quantitatives sur la densité du fluide perturbé et de remonter à la pression acoustique.
Les techniques de détection des perturbations subies par un faisceau de lumière sont globalement au nombre de deux : l’ombroscopie et la strioscopie. On trouve également des techniques d’interférométries plus sensibles, détectant la différence de marche entre un faisceau lumineux de référence et un faisceau utile traversant le champ d’expérience, par la mesure du déplacement des franges d’interférence. Cette dernière catégorie regroupe l’interférométrie directe et différentielle. Ces méthodes sont certes plus sensibles aux perturbations acoustiques que l’ombroscopie ou la strioscopie, mais elles ont l’inconvénient d’être trop sensibles aux perturbations extérieures telles que les vibrations, variations de température, … , elles sont lourdes à mettre en œuvre et parfois coûteuses.
Configurations d’excitation
Les électrodes bifilaires seront utilisées pour générer l’onde acoustique à distance de la cible étudiée. Les électrodes monofilaires seront quant à elles utilisées pour générer l’onde au contact de la cible, cette dernière étant utilisée comme (électrode de) masse.
Excitation à distance
Le champ électrique présent au niveau des électrodes est compris entre 100 kV/cm et 2000 kV/cm. La formation de l’étincelle électrique dans les liquides polaires et mauvais isolants comme l’eau, est décrite par Alkimov . Son analyse permet de dire qu’au moment où la haute tension est appliquée aux électrodes, un canal de plasma ionisé comportant différentes branches se développe à partir de l’anode et se dirige vers la cathode. Dès lors que ce canal atteint la cathode, des bulles d’hydrogène et d’oxygène se développent par électrolyse du fluide.
Un fort courant circule dans le canal ionisé qui se dilate violemment. Cette dilatation brusque provoque l’émission d’une onde de choc. Bien que l’électrolyse qui réduit la tension aux bornes des électrodes ne favorise pas nécessairement l’établissement d’un arc électrique très énergétique, l’explosion du mélange oxygène/hydrogène est la cause d’apports supplémentaires d’énergie.
La création de l’étincelle est régie par plusieurs phénomènes physiques complexes qui ne permettent pas d’estimer le transfert d’énergie électrique en énergie mécanique rayonnée dans le fluide. On peut cependant affirmer que l’énergie mécanique après étincelle se trouve essentiellement sous forme d’ondes acoustiques et bulles de cavitation.
Excitation en contact
Ce mode d’excitation se rapproche des techniques de générations d’ondes élastiques sans contact mécanique dans un solide par effet photothermique.
La création d’un arc électrique entre l’électrode et la cible placée à la masse électrique, permet la génération d’ondes homogènes et de surface. Suivant la puissance de cette génération «électrothermique», l’impulsion sur la surface libre d’un solide engendre des ondes élastiques selon différents mécanismes, dont une analogie qualitative peut être effectuée avec la génération par impact laser.
Ces mécanismes regroupent deux catégories fonctions de l’évolution de l’état de surface du solide après génération : régime d’ablation ou régime thermoélastique.
En régime thermoélastique, la densité de puissance ne donne lieu à aucune vaporisation de matière. La dilatation thermique provoque des forces parallèles à la surface libre du solide. Si la densité de puissance de l’impact est importante, il y a vaporisation de matière à la surface du solide et on se trouve dans le régime d’ablation. Ce régime crée des forces normales à la surface. Dans notre configuration, selon la tension de charge du condensateur et donc selon l’intensité de l’arc électrique généré, il apparaît une vaporisation de matière à l’endroit de l’impact, montrant que nous sommes en régime d’ablation . Il y a fusion puis vaporisation d’une petite quantité de matière.
Le transfert de quantité de mouvement du à l’éjection de matière crée dans la zone d’impact une force normale à la surface du solide. Ces forces favorisent la génération d’ondes élastiques longitudinales.
Source à thyratron
Le thyratron est composé de trois électrodes : une cathode, une anode et une grille qui permet de commander la commutation. La cathode est chauffée par un filament, porté à haute température par le passage d’un courant, ce qui permet l’éjection par agitation thermique de quelques électrons du métal. Au repos, la haute tension est présente sur l’anode, tandis que la cathode est reliée à la masse. Le champ électrique créé dans le tube attire les électrons émis par la cathode et provoque une décharge électrique. Pour contrôler cette décharge, une grille est disposée très près de l’anode et à un potentiel négatif. Son rôle est de confiner le champ électrique près de l’anode. A cause de ce potentiel négatif, le champ électrique entre la grille et l’anode est très élevé. Mais comme l’anode n’émet pas d’électron, il ne se produit pas de décharge. De l’autre côté, la tension négative de la grille, s’oppose à l’émission d’électrons par la cathode et donc à l’établissement d’un contact électrique. Ainsi le circuit peut rester ouvert au repos.
Pour provoquer la commutation il suffit de réduire la tension négative présente sur la grille. Le champ électrique de l’anode pénètre alors dans l’espace grille-cathode. Sous l’effet de ce champ, les électrons émis à la cathode par l’agitation thermique sont attirés vers l’anode et le contact s’établit.
Dans notre cas, on utilise un tube à hydrogène, gaz très employé pour les très forts courants dont la chute de potentiel est d’environ 100 V quel que soit le courant passant dans le tube. Ce gaz a comme autre avantage de permettre des temps de commutation brefs.
Les ondes de Lamb
Afin de décrire les mécanismes de diffusion acoustique envisagés dans la suite de notre étude, nous nous proposons dans ce paragraphe de considérer le cas des ondes de plaques.
Les ondes décrites précédemment ont des vitesses de propagation dépendant uniquement de la nature des matériaux et sont non dispersives. Les ondes acoustiques que l’on trouve dans les plaques sont, quant à elles dispersives, et en particulier les ondes de Lamb font partie de cette catégorie.
Dans la première partie de cette section, on considère un solide isotrope limité par deux surfaces parallèles libres de toutes charges (plaque libre). Le cas de la plaque immergée sera considéré dans le paragraphe suivant. L’onde de Rayleigh se propage indépendamment sur chaque face libre de la plaque tant que l’épaisseur de celle-ci est grande devant la longueur d’onde À. Lorsque l’épaisseur devient de l’ordre de grandeur de À., les composantes longitudinales et transversales des ondes de Rayleigh se couplent et donnent naissance à des déformations de la plaque de type structure.
Les ondes transversales polarisées horizontalement ne seront pas considérées dans ce paragraphe car leur propagation dans la plaque est identique aux cas du demi-espace et leur polarisation se conservent lors de réflexions ou transmissions. Elles ne créent pas d’ondes de Lamb. On s’intéresse donc à la propagation des ondes longitudinales et aux ondes transversales polarisées verticalement dans une plaque isotrope dans le vide afin de déterminer la relation de dispersion, caractéristique fondamentale des ondes de Lamb.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Dispositif expérimental : Système de visualisation ultra-rapide. Source acoustique impulsionnelle
1-1 Introduction
1-2 Système de visualisation ultra-rapide
1-2.1 Principe de l’ombroscopie et de la strioscopie
a) Ombroscopie
b) Strioscopie
1-2.2 Exploitation des visualisations ombroscopiques et strioscopiques
a) Grandeurs physiques fournies par l’ombroscopie
b) Grandeurs physiques fournies par la strioscopie
c) Ondes acoustiques : Caractéristiques des visualisations
d) Cas d’une géométrie axisymétrique
1-2.3 Configuration expérimentale
1-3 Source acoustique
1-3.1 Principe de la source mini-étinceleur
1-3.2 Configurations d’excitation
a) Excitation à distance
b) Excitation en contact
1-3.3 Choix des éléments du système
a) Choix du condensateur
b) Le câble coaxial
c) Choix de l’interrupteur ultra-rapide
1-3.4 Source à thyratron
a) Caractéristiques
b) Caractéristiques électriques
1-3.5 Source à Spark-Gap
a) Schéma électrique de la source
b) Caractéristiques électriques
c) Comparaisons entre les deux systèmes
1-3.6 Caractéristiques acoustiques
1-4 Conclusion
1-5 Références bibliographiques
Chapitre 2 : Diffusion acoustique : Ondes élastiques, Rappels théoriques
2-1 Introduction
2-2 Ondes élastiques
2-2.1 Solide élastique, isotrope
2-2.2 Ondes élastiques dans un milieu isotrope : Généralités
2-2.3 Réflexion sur une surface libre; Cas du demi-espace infini
a) Ondes progressives homogènes
b) Ondes de surface. Ondes de Rayleigh
2-2.4 Interface solide/solide
a) Ondes homogènes
b) Ondes d’interface; Ondes de Stoneley
2-2.5 Interface solide/liquide
a) ondes homogènes
b) Ondes de surfaces: Ondes de Scholte et de Rayleigh généralisée dans le solide
2-3 Les ondes de Lamb
2-3.1 Plaque dans le vide
a) Equation de propagation
b) Conditions aux frontières
c) Equation de dispersion
d) Courbes de dispersion
2-3.2 Plaque chargée par un fluide non visqueux: Ondes de Lamb,Onde de Scholte-Stoneley
a) Conditions aux parois
b) Equations de dispersion
2-4 Conclusion
2-5 Références bibliographiques
Chapitre 3 : Diffusion acoustique : Modèle numérique bidimensionnel non-structuré par volumes finis
3-1 Description du modèle numérique
3-1.1 Choix de la méthode numérique
3-1.2 Description mathématique
3-1.3 Définition de la grille
3-1.4 Equation de mouvement pour le volume de contrôle
3-1.5 Conditions aux frontières
3-1.6 Détails de procédure et de calcul
3-2 Post-traitement numérique
3-2.1 Mesure de vitesse dans les milieux dispersifs
a) Vitesses de phase, vitesses de groupe, dispersion
b) Méthodes temporelles
c) Méthodes fréquentielles
d) Mesure de la vitesse de phase par transformée de Fourier
bidimensionnelle
3-3 Conclusion
3-4 Références bibliographiques
Chapitre 4 : Diffusion acoustique sur cibles élastiques planes
4-1 Cas d’une plaque libre
4-1.1 Excitation harmonique
4-1.2 Excitations longitudinale et transversale larges bandes sur la section
4-1.3 Excitation large bande ponctuelle en surface
4-2 Cas d’une plaque immergée dans un fluide
4-2.1 Excitation à distance de la plaque : Résultats expérimentaux
4-2.2 Excitation de la plaque en contact :Résultats expérimentaux
4-2.3 Diffusion sur une plaque: Résultats numériques
4-2.4 Méthode de séparations des ondes
4-2.5 Signatures acoustiques bidimensionnelles des modes de Lamb
a) Filtrage sélectif
b) Isolement du mode Ao
c) Isolement du mode So
d) Isolement du mode S1
e) Isolement du mode S2
4-2.6 Corrélation entre les visualisations et les diagrammes temps-distance
4-3 Conclusion
4-4 Références bibliographiques
Chapitre 5 : Diffusion acoustique sur cibles élastiques à géométrie complexe
5-1 Diffusion sur des coques à géométrie complexe
5-1.1 Cas des coques sphériques
5-1.2 Cas du cylindre
5-1.3 Rappels sur le cas de la sphère pleine
a) Rappels théoriques
b) Résultats expérimentaux : Identification des ondes
5-1.4 Diffusion sur un tube en excitation axiale
a) Identification des ondes pour le cylindre creux
b) Simulation numérique
5-1.5 Diffusion sur un tube en excitation normale
a) Identification des ondes
b) Simulation numérique
c) Interprétations tridimensionnelles
d) Influence de l’épaisseur de la coque sur l’onde S0
5-2 Diffusion sur cible« tine »
5-2.1 Diffusion sur cible« LINE » en excitation normale
a) Identification des ondes dans le plan perpendiculaire à l’axe de la cible
b) Identification des ondes dans le plan parallèle à l’axe de la cible
c) Résultats numériques
5-2.2 Diffusion sur cible« LINE »en excitation axiale
a) Détails sur l’observation de l’onde A
b) Détails sur l’ observation de l’ onde So
5-2.3 Effet de la courbure et du joint de soudure aux jonctions sphère/tube
sur cible « LINE »
a) Diffusion acoustique sur cible« UNE coupée court» et« LINE coupée long»
b) Simulation numérique de la diffusion acoustique sur cible « LINE » en excitation axiale
5-3 Conclusion
5-4 Références bibliographiques
Conclusion
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